Linux下的进程与线程比较相近:它们都需要相同的数据结构来表示,即task_struct。区别在于一个有独立的用户空间,一个是共享的用户空间(如果完全没有用户空间则是内核线程,不需要)。
Linux的用户进程不能直接被创建出来,因为不存在这样的API。它只能从某个进程中复制出来,再通过exec这样的API来切换到实际想要运行的程序文件。
复制的API包括三种:fork、clone、vfork。这三个API的内部实际都是调用一个内核内部函数do_fork,只是填写的参数不同而已。
- 而fork与clone是区别的。fork是进程资源的完全复制,包括进程的PCB、线程的系统堆栈、进程的用户空间、进程打开的设备等。而在clone中其实只有前两项是被复制了的,后两项都与父进程共享。
- 在linux源码中这三个调用的执行过程是:执行fork(),vfork(),clone()时,通过一个系统调用表映射到sys_fork(),sys_vfork(),sys_clone(),再在这三个函数中去调用do_fork()去做具体的创建进程工作。
- vfork,其实就是fork的部分过程,用以简化并提高效率。
------------ fork( )
fork创建一个进程时,子进程只是完全复制父进程的资源,复制出来的子进程有自己的task_struct结构和pid,但却复制父进程其它所有的资源。例如,要是父进程打开了五个文件,那么子进程也有五个打开的文件,而且这些文件的当前读写指针也停在相同的地方。所以,这一步所做的是复制。这样得到的子进程独立于父进程,具有良好的并发性。但是二者之间的通讯需要通过专门的通讯机制,如:pipe,共享内存等机制,而且每种资源都复制一个副本。
这样看来,fork是一个开销十分大的系统调用,这些开销并不是所有的情况下都是必须的,比如某进程fork出一个子进程后,其子进程仅仅是为了调用exec执行另一个可执行文件,那么在fork过程中对于虚存空间的复制将是一个多余的过程。但由于现在Linux中是采取了copy-on-write(COW写时复制)技术,为了降低开销,fork最初并不会真的产生两个不同的拷贝,因为在那个时候,大量的数据其实完全是一样的。写时复制是在推迟真正的数据拷贝。若后来确实发生了写入,那意味着parent和child的数据不一致了,于是产生复制动作,每个进程拿到属于自己的那一份,这样就可以降低系统调用的开销。所以有了写时复制后呢,vfork其实现意义就不大了。
fork()调用执行一次返回两个值,对于父进程,fork函数返回子程序的进程号,而对于子程序,fork函数则返回零,这就是一个函数返回两次的本质。
在fork之后,子进程和父进程都会继续执行fork调 用之后的指令。子进程是父进程的副本。它将获得父进程的数据空间,堆和栈的副本,这些都是副本,父子进程并不共享这部分的内存。也就是说,子进程对父进程 中的同名变量进行修改并不会影响其在父进程中的值。但是父子进程又共享一些东西,简单说来就是程序的正文段(由cpu执行的机器指令,通常是read-only的)。
------- clone()
- 系统调用fork()和vfork()是无参数的,而clone()则带有参数。
- fork()是全部复制,vfork()是共享内存,而clone()是则可以将父进程资源有选择地复制给子进程,而没有复制的数据结构则通过指针的复制让子进程共享,具体要复制哪些资源给子进程,由参数列表中的clone_flags决决定。
- fork不对父子进程的执行次序进行任何限制,fork返回后,子进程和父进程都从调用fork函数的下一条语句开始行,但父子进程运行顺序是不定的,它取决于内核的调度算法;而在vfork调用中,子进程先运行,父进程挂起,直到子进程调用了exec或exit之后,父子进程的执行次序才不再有限制;clone中由标志CLONE_VFORK来决定子进程在执行时父进程是阻塞还是运行,若没有设置该标志,则父子进程同时运行,设置了该标志,则父进程挂起,直到子进程结束为止。