Linux C编程--fork 详解

痛定思痛。 2022-04-16 00:55 304阅读 0赞

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**在Linux系统下学习一个系统函数最好的方法就是阅读其源码，首先，给出fork函数的源码**

/**  linux/kernel/fork.c*                                //－－fork()用于创建子进程*  (C) 1991  Linus Torvalds*//**  'fork.c' contains the help-routines for the 'fork' system call* (see also system_call.s), and some misc functions ('verify_area').* Fork is rather simple, once you get the hang of it, but the memory* management can be a bitch. See 'mm/mm.c': 'copy_page_tables()'*/#include <errno.h>#include <linux/sched.h>#include <linux/kernel.h>#include <asm/segment.h>#include <asm/system.h>                                //－－写页面验证，若页面不可写，则复制页面extern void write_verify(unsigned long address);long last_pid=0;                                //－－进程空间区域写前验证函数void verify_area(void * addr,int size){    unsigned long start;    start = (unsigned long) addr;    size += start & 0xfff;    start &= 0xfffff000;    start += get_base(current->ldt[2]);        //－－逻辑地址到线性地址的转换    while (size>0) {        size -= 4096;        write_verify(start);        start += 4096;    }}int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)        //－－复制内存页表{                                                //－－由于采用写时复制技术，这里只复制目录和页表项，不分配内存    unsigned long old_data_base,new_data_base,data_limit;    unsigned long old_code_base,new_code_base,code_limit;    code_limit=get_limit(0x0f);                    //－－取段限长    data_limit=get_limit(0x17);    old_code_base = get_base(current->ldt[1]);    old_data_base = get_base(current->ldt[2]);    if (old_data_base != old_code_base)        panic("We don't support separate I&D");    if (data_limit < code_limit)        panic("Bad data_limit");    new_data_base = new_code_base = nr * TASK_SIZE;    p->start_code = new_code_base;    set_base(p->ldt[1],new_code_base);    set_base(p->ldt[2],new_data_base);    if (copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit)) {        //－－复制页表        free_page_tables(new_data_base,data_limit);        return -ENOMEM;    }    return 0;}/**  Ok, this is the main fork-routine. It copies the system process* information (task[nr]) and sets up the necessary registers. It* also copies the data segment in it's entirety.*/                                    //－－fork()子程序，它复制系统进程信息，设置寄存器，复制数据段(代码段)int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,        long ebx,long ecx,long edx, long orig_eax,         long fs,long es,long ds,        long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)        //－－复制进程{    struct task_struct *p;    int i;    struct file *f;    p = (struct task_struct *) get_free_page();                //－－为新任务数据结构分配内存    if (!p)        return -EAGAIN;    task[nr] = p;    *p = *current;    /* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */    p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;    p->pid = last_pid;    p->counter = p->priority;    p->signal = 0;    p->alarm = 0;    p->leader = 0;        /* process leadership doesn't inherit */    p->utime = p->stime = 0;    p->cutime = p->cstime = 0;    p->start_time = jiffies;    p->tss.back_link = 0;    p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;    p->tss.ss0 = 0x10;    p->tss.eip = eip;    p->tss.eflags = eflags;    p->tss.eax = 0;    p->tss.ecx = ecx;    p->tss.edx = edx;    p->tss.ebx = ebx;    p->tss.esp = esp;    p->tss.ebp = ebp;    p->tss.esi = esi;    p->tss.edi = edi;    p->tss.es = es & 0xffff;    p->tss.cs = cs & 0xffff;    p->tss.ss = ss & 0xffff;    p->tss.ds = ds & 0xffff;    p->tss.fs = fs & 0xffff;    p->tss.gs = gs & 0xffff;    p->tss.ldt = _LDT(nr);    p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;    if (last_task_used_math == current)        __asm__("clts ; fnsave %0 ; frstor %0"::"m" (p->tss.i387));    if (copy_mem(nr,p)) {        task[nr] = NULL;        free_page((long) p);        return -EAGAIN;    }    for (i=0; i<NR_OPEN;i++)                    //－－如果父进程中有文件是打开的，则将对应文件的打开次数增1        if (f=p->filp[i])            f->f_count++;    if (current->pwd)        current->pwd->i_count++;    if (current->root)        current->root->i_count++;    if (current->executable)        current->executable->i_count++;    if (current->library)        current->library->i_count++;    set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));    //－－在GDT表中设置新任务的TSS和LDT    set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));    p->p_pptr = current;    p->p_cptr = 0;    p->p_ysptr = 0;    p->p_osptr = current->p_cptr;    if (p->p_osptr)        p->p_osptr->p_ysptr = p;    current->p_cptr = p;    p->state = TASK_RUNNING;    /* do this last, just in case */    return last_pid;}int find_empty_process(void)                        //－－为新进程取得不重复的进程号last_pid{    int i;    repeat:        if ((++last_pid)<0) last_pid=1;        for(i=0 ; i<NR_TASKS ; i++)            if (task[i] && ((task[i]->pid == last_pid) ||                        (task[i]->pgrp == last_pid)))                goto repeat;    for(i=1 ; i<NR_TASKS ; i++)        if (!task[i])            return i;    return -EAGAIN;}

**以下给出说明：**

##### fork函数 #####

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>  pid_t fork(void);

**`fork`调用失败则返回-1，调用成功的返回值见下面的解释。我们通过一个例子来理解`fork`是怎样创建新进程的。**

**这个程序的运行过程如下图所示。**

![1363746667_4521.jpg][]

1.  **父进程初始化。**
2.  **父进程调用`fork`，这是一个系统调用，因此进入内核。**
3.  **内核根据父进程复制出一个子进程，父进程和子进程的PCB信息相同，用户态代码和数据也相同。因此，*子进程现在的状态看起来和父进程一样，做完了初始化，刚调用了`fork`进入内核，还没有从内核返回*。**
4.  **现在有两个一模一样的进程看起来都调用了`fork`进入内核等待从内核返回（实际上`fork`只调用了一次），此外系统中还有很多别的进程也等待从内核返回。是父进程先返回还是子进程先返回，还是这两个进程都等待，先去调度执行别的进程，这都不一定，取决于内核的调度算法。**
5.  **如果某个时刻父进程被调度执行了，从内核返回后就从`fork`函数返回，保存在变量`pid`中的返回值是子进程的id，是一个大于0的整数，因此执下面的`else`分支，然后执行`for`循环，打印`"This is the parent\n"`三次之后终止。**
6.  **如果某个时刻子进程被调度执行了，从内核返回后就从`fork`函数返回，保存在变量`pid`中的返回值是0，因此执行下面的`if (pid == 0)`分支，然后执行`for`循环，打印`"This is the child\n"`六次之后终止。`fork`调用把父进程的数据复制一份给子进程，但此后二者互不影响，在这个例子中，`fork`调用之后父进程和子进程的变量`message`和`n`被赋予不同的值，互不影响。**
7.  **父进程每打印一条消息就睡眠1秒，这时内核调度别的进程执行，在1秒这么长的间隙里（对于计算机来说1秒很长了）子进程很有可能被调度到。同样地，子进程每打印一条消息就睡眠1秒，在这1秒期间父进程也很有可能被调度到。所以程序运行的结果基本上是父子进程交替打印，但这也不是一定的，取决于系统中其它进程的运行情况和内核的调度算法，如果系统中其它进程非常繁忙则有可能观察到不同的结果。另外，读者也可以把`sleep(1);`去掉看程序的运行结果如何。**
8.  **这个程序是在Shell下运行的，因此Shell进程是父进程的父进程。父进程运行时Shell进程处于等待状态，当父进程终止时Shell进程认为命令执行结束了，于是打印Shell提示符，而事实上子进程这时还没结束，所以子进程的消息打印到了Shell提示符后面。最后光标停在`This is the child`的下一行，这时用户仍然可以敲命令，即使命令不是紧跟在提示符后面，Shell也能正确读取。**

**`fork`函数的特点概括起来就是“调用一次，返回两次”，在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。从上图可以看出，一开始是一个控制流程，调用`fork`之后发生了分叉，变成两个控制流程，这也就是“fork”（分叉）这个名字的由来了。子进程中`fork`的返回值是0，而父进程中`fork`的返回值则是子进程的id（从根本上说`fork`是从内核返回的，内核自有办法让父进程和子进程返回不同的值），这样当`fork`函数返回后，程序员可以根据返回值的不同让父进程和子进程执行不同的代码。**

**`fork`的返回值这样规定是有道理的。`fork`在子进程中返回0，子进程仍可以调用`getpid`函数得到自己的进程id，也可以调用`getppid`函数得到父进程的id。在父进程中用`getpid`可以得到自己的进程id，然而要想得到子进程的id，只有将`fork`的返回值记录下来，别无它法。**

**`fork`的另一个特性是所有由父进程打开的描述符都被复制到子进程中。父、子进程中相同编号的文件描述符在内核中指向同一个`file`结构体，也就是说，`file`结构体的引用计数要增加。**

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