linux进程创建过程与原理 fork,vfork,clone的区别
系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。整个linux系统的所有进程也是一个树形结构。树根是系统自动构造的，即在内核态下执行的0号进程，它是所有进程的祖先。由0号进程创建1号进程（内核态），1号负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，并创建若干个用于高速缓存和虚拟主存管理的内核线程。随后，1号进程调用execve（）运行可执行程序init，
上述过程可描述为：0号进程->1号内核进程->1号内核线程->1号用户进程（init进程）->getty进程->shell进程
注意，上述过程描述中提到：1号内核进程调用执行init并演变成1号用户态进程（init进程），这里前者是init是函数，后者是进程。
两者容易混淆，区别如下：
1.init（）函数在内核态运行，是内核代码2.init进程是内核启动并运行的第一个用户进程，运行在用户态下。
3.init（）函数调用execve（）从文件/etc/inittab中加载可执行程序init并执行，这个过程并没有使用调用do_fork()，因此两个进程都是1号进程。
fork,vfork,clone都是linux的系统调用，用来创建子进程的，但是大家在使用时经常混淆，这里给出具体例子讲解三者的联系与区别。
我们知道，进程由4个要素组成：
1.进程控制块：进程标志
2.进程程序块：可与其他进程共享
3.进程数据块：进程专属空间，用于存放各种私有数据以及堆栈空间。
4.独立的空间（如果没有4则认为是线程）
一、forkfork 创造的子进程复制了父亲进程的资源，包括内存的内容task_struct内容，新旧进程使用同一代码段,复制数据段和堆栈段，这里的复制采用了注明的copy_on_write技术，即一旦子进程开始运行，则新旧进程的地址空间已经分开，两者运行独立。如：
int main() {
int num = 1;
int child;
if(!(child = fork())) {
printf("This is son, his num is: %d. and his pid is: %d\n", ++num, getpid());
} else {
printf("This is father, his num is: %d, his pid is: %d\n", num, getpid());
}
}
执行结果为：This is son, his num is: 2. and his pid is: 2139
This is father, his num is: 1, his pid is: 2138
从代码里面可以看出2者的pid不同，子进程改变了num的值，而父进程中的num没有改变。
总结：优点是子进程的执行独立于父进程，具有良好的并发性。缺点是两者的通信需要专门的通信机制，如pipe、fifo和system V等。有人认为这 样大批量的复制会导致执行效率过低。其实在复制过程中，子进程复制了父进程的task_struct，系统堆栈空间和页面表，在子进程运行前，两者指向同一页面。而当子进程改变了父进程的变量时候，会通过copy_on_write的手 段为所涉及的页面建立一个新的副本。因此fork效率并不低。
vfork函数创建的子进程完全运行在父进程的地址空间上，子进程对虚拟地址空间任何数据的修改都为父进程所见。这与fork是完全不同的，fork进程是独立的空间。另外一点不同的是vfork创建的子进程后，父进程会被阻塞，直到子进程执行exec（）和exit（）。如：
int main() {
int num = 1;
int child;
if(!(child = fork())) {
printf("This is son, his num is: %d. and his pid is: %d\n", ++num, getpid());
} else {
printf("This is father, his num is: %d, his pid is: %d\n", num, getpid());
}
}
运行结果为：This is son, his num is: 2. and his pid is:4139
This is father, his num is: 2, his pid is: 4138
从运行结果可以看到vfork创建出的子进程（线程）共享了父进程的num变量，这一次是指针复制，2者的指针指向了同一个内存
总结：当创建子进程的目的仅仅是为了调用exec（）执行另一个程序时，子进程不会对父进程的地址空间又任何引用。因此，此时对地址空间的复制是多余的，通过vfork可以减少不必要的开销。
三、clone
函数功能强大，带了众多参数，因此由他创建的进程要比前面2种方法要复杂。clone可以让你有选择性的继承父进程的资源，你可以选择想vfork一样和 父进程共享一个虚存空间，从而使创造的是线程，你也可以不和父进程共享，你甚至可以选择创造出来的进程和父进程不再是父子关系，而是兄弟关系int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);这里fn是函数指针，我们知道进程的4要素，这个就是指向程序的指针，就是所谓的“剧本", child_stack明显是为子进程分配系统堆栈空 间（在linux下系统堆栈空间是2页面，就是8K的内存，其中在这块内存中，低地址上放入了值，这个值就是进程控制块task_struct的 值）,flags就是标志用来描述你需要从父进程继承那些资源， arg就是传给子进程的参数）。
总结：
clone, fork, vfork实现方式 大致相同:系统调用服务例程sys_clone, sys_fork, sys_vfork三者最终都是调用do_fork函数完成.do_fork的参数与clone系统调用的参数类似, 不过多了一个regs(内核栈保存的用户模式寄存器). 实际上其他的参数也都是用regs取的。区别在于:
clone:clone的API外衣, 把fn, arg压入用户栈中, 然后引发系统调用. 返回用户模式后下一条指令就是fn.
sysclone: parent_tidptr, child_tidptr都传到了 do_fork的参数中
sysclone: 检查是否有新的栈, 如果没有就用父进程的栈 (开始地址就是regs.esp)
fork, vfork:
服务例程就是直接调用do_fork, 不过参数稍加修改clone_flags:sys_fork: SIGCHLD|0;
sys_vfork: SIGCHLD| (clone_vfork | clone_vm)
用户栈: 都是父进程的栈.
parent_tidptr, child_ctidptr都是NULL.
进程的创建过程
------基于Linux0.11源码分析
1. 背景
进程的创建过程无疑是最重要的操作系统处理过程之一，很多书和教材上说的最多的还是一些原理的部分，忽略了很多细节。比如，子进程复制父进程所拥有的资源，或者子进程和父进程共享相同的物理页面，拥有自己的地址空间，子进程创建后接受统一调度执行等等。
原理性的书籍更多地关注了进程创建过程中各个关键部分的功能，但由于过于抽象，很难理解，因此如果自己能够实际操作，实践这个过程就很重要，可以让那些看起来抽象的概念变的现实而容易理解，比如所谓的父进程的资源，父进程所拥有的物理页面，甚至父进程的地址空间等等，这些抽象的概念其实只要实际操作一次就更能有感性的认识。本人参考Linux0.11源代码实践了创建进程和调度，这个过程获益匪浅，这里把主要的学习成果结合实践总结一下。
2.
子进程的创建是基于父进程的，因此一直追溯上去，总有一个进程是原始的，即没有父进程的。这个进程在Linux中的进程号是0，也就是传说中的0号进程（可惜很多理论书上对这个重要的进程只字不提）。
如果说子进程可以通过规范的创建进程的函数（如:fork()）基于父进程复制创建，那么0号进程并没有可以复制和参考的对象，也就是说0号进程拥有的所有信息和资源都是强制设置的，不是复制的，这个过程我称为手工设置，也就是说0号进程是“纯手工打造”，这是操作系统中“最原始”的一个进程，它是一个模子，后面的任何进程都是基于0号进程生成的。
手工打造0号进程最主要包括两个部分：创建进程0运行时所需的所有信息，即填充0号进程，让它充满“血肉”；二是调度0号进程的执行，即让它“动”起来，只有动起来，才是真正意义上的进程，因为进程本身实际上是个动态的概念。
1）填充0号进程信息
struct task_struct {
};
可以看到进程描述符里的信息很多，大体上有几部分：
a. 进程的运行信息，如进程的当前状态(state)，进程的各种时间片消耗记录(utime、stime等)，进程的信号(signal)和优先级(priority)等。
b. 进程的基本创建信息，如进程号(pid)，进程的创建用户(uid)等。
c. 进程的资源类信息，如使用的tty自设备号(tty)，文件根目录i节点结构(root)等。
d. 进程执行和切换CPU需要使用的关键信息：局部描述符表(LDT)、任务状态段(TSS)信息。
这些信息并不是在进程创建的时候就全部确定的，大部分只是暂时赋一个初值，在运行的时候会动态更改，也有一些是要在进程运行前设置好的，才能保证进程被正确地执行起来。实际上，我们最需要填充的信息是那些使得操作系统可以顺利切换到0号进程的信息，最重要的显然是进程的LDT和TSS信息。TSS是CPU在切换任务时需要使用的信息，而LDT是局部描述符表，0号进程是第一个运行在用户态的进程，需要使用自己的LDT。TSS和LDT是保证不同进程之间相互隔离的重要机制。
实际上还有一个重要的信息不是放在进程本身的描述符里的，而是放在全局描述符表GDT中，因为所有的进程是由操作系统统一管理的，因此操作系统至少要保持对它们的索引，这种索引性质的信息放在操作系统内核的GDT中。对于Linux0.11来说，每个进程都有一个LDT和一个TSS描述符，而Linux2.4之后是每个CPU一个TSS描述符并存储在GDT中，而不是每个进程一个。当然这种区别会造成进程创建和切换过程中一些细节上的差异，但本质的部分和任务的切换过程并没有任何不同。
下面是Linux0.11手动填充进程0的进程描述符信息的宏：
#define INIT_TASK \
0,0,0,0,0,0, \
{ \
}
除了填充进程描述符的信息外，还需要在GDT中设置相关的项，即进程0的LDT和TSS选择符，这个工作是在sched_init()里完成的：
void sched_init(void){
...
set_tss_desc(gdt+FIRST_TSS_ENTRY,&(init_task.task.tss));
...
ltr(0);
}
可以看到，在进程0的TSS和LDT描述符信息设置到GDT中后，立刻设置了TR寄存器和LDTR寄存器，为即将运行0号进程作准备。
2）运行0号进程
#define move_to_user_mode() \
__asm__ ("movl %%esp,%%eax\n\t" \
...)
这个宏将进程0执行时的ss,esp,eflags.cs,eip信息全部压栈，待到执行iret指令时，CPU将这几项信息从栈中弹出加载到相应的寄存器中，这样就实现了进程0的启动执行。从这里也可以看出，进程0刚开始执行时几个关键寄存器的信息也是在其运行前事先设定好的，从进程描述符信息到执行信息均是人为设置，因此我称之为“纯手工打造的进程”。
3. 子进程的创建
_sys_fork:
1:
主要包括的步骤和内容是：
1)
2)
3)
4. 子进程的运行
#define switch_to(n) {\
struct {long a,b;} __tmp; \
__asm__("cmpl %%ecx,_current\n\t" \
}
符：任务(task)和进程(process)的区别
更多推荐
1
0- 0
已为社区贡献1条内容
所有评论(0)