前面兩節(jié)簡要地從C語言源代碼層面討論了Linux系統(tǒng)中進程的基本概念，我們知道了Linux內(nèi)核如何描述和記錄進程的資源，以及進程的五種基本狀態(tài)和進程的家族樹。事實上，就進程管理而言，Linux還是有一些獨特之處的。

[[272837]]

Linux 系統(tǒng)中的進程創(chuàng)建

許多操作系統(tǒng)都提供了專門的進程產(chǎn)生機制，比較典型的過程是：首先在內(nèi)存新的地址空間里創(chuàng)建進程，然后讀取可執(zhí)行程序，裝載到內(nèi)存中執(zhí)行。

Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建線程并未使用上述經(jīng)典過程，而是將創(chuàng)建過程拆分到兩組獨立的函數(shù)中執(zhí)行：fork() 函數(shù)和 exec() 函數(shù)族。

基本流程是這樣的：首先，fork() 函數(shù)拷貝當前進程創(chuàng)建子進程。產(chǎn)生的子進程與父進程的區(qū)別僅在與 PID 與 PPID 以及某些資源和統(tǒng)計量，例如掛起的信號等。準備好進程運行的地址空間后，exec() 函數(shù)族負責讀取可執(zhí)行程序，并將其加載到相應的位置開始執(zhí)行。

Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建進程使用的這兩組函數(shù)效果與其他操作系統(tǒng)的經(jīng)典進程創(chuàng)建方式效果是相似的，可能有讀者會覺得這么做會讓進程創(chuàng)建過于繁瑣，其實不是的，Linux 這么做的其中一個原因是為了提高代碼的復用率，這得益于 Linux 高度概括的抽象，無需再額外設計一套機制用于創(chuàng)建進程。

“寫時拷貝”

早期 Linux 中的 fork() 函數(shù)直接把父進程的所有資源賦值給創(chuàng)建出的子進程，這樣的機制自然是簡單的，但是效率卻比較低下。

原因是顯而易見的：子進程并不一定要使用父進程的資源，或者子進程可能僅需以只讀的方式訪問父進程的資源，這時“拷貝一份資源”就純屬多余的開銷了。

針對這樣的問題，Linux 后續(xù)版本中的 fork() 函數(shù)開始采用“寫時拷貝”機制。寫時拷貝技術(shù)可以將拷貝需求延遲，甚至免除拷貝，減小開銷。

具體來說就是，Linux 在調(diào)用 fork() 創(chuàng)建子進程時，并不著急拷貝整個進程地址空間，而是暫時讓父子進程以只讀的方式共享同一個拷貝。拷貝動作只在子進程需要寫入時才會發(fā)生，以確保各個進程有自己獨立的內(nèi)存空間。

如果子進程用不到或者只需要讀取共享空間數(shù)據(jù)，那么拷貝動作就被省去了，Linux 就減小了開銷。例如，系統(tǒng)調(diào)用 fork() 后立即調(diào)用 exec()，此時 exec() 會加載新的映像覆蓋 fork() 的地址空間，拷貝動作完全可以省去。

事實上，fork() 函數(shù)的實際開銷就是復制父進程的頁表以及給子進程創(chuàng)建唯一的進程描述符。在大多數(shù)情況下，Linux 創(chuàng)建進程后都會馬上運行新的可執(zhí)行程序，因此“寫時拷貝”機制可以避免相當多的數(shù)據(jù)拷貝。創(chuàng)建進程速度快是 Linux 系統(tǒng)的一個特征，因此“寫時拷貝”是一種相當重要的優(yōu)化。

創(chuàng)建進程時，內(nèi)存地址空間里常常包含數(shù)十 MB 的數(shù)據(jù)，如果每創(chuàng)建一次進程，就拷貝一次數(shù)據(jù)，開銷顯然是非常大的。

fork() 函數(shù)

Linux 中的 fork() 函數(shù)其實是基于 clone() 實現(xiàn)的，clone() 函數(shù)可以通過一系列參數(shù)標志指定父子進程需要共享的資源，在 Linux 中輸入 man 命令可以查看 clone() 函數(shù)的C語言原型：

clone() 函數(shù)的C語言原型

以及相關(guān)的參數(shù)標志：

相關(guān)的參數(shù)標志

在Linux中，fork() 函數(shù)最終調(diào)用了 do_fork() 函數(shù)，它的C語言代碼如下，請看(do_fork() 函數(shù)的C語言代碼比較長，下面面只列出了一部分)：

do_fork() 函數(shù)的C語言代碼

do_fork() 函數(shù)完成了進程創(chuàng)建的大部分工作，從相關(guān)的C語言源代碼可以看出，它調(diào)用了 copy_process() 函數(shù)，copy_process() 函數(shù)的C語言源代碼如下，請看：

copy_process() 函數(shù)的C語言源代碼

copy_process() 函數(shù)的代碼也是比較長的，在我手上的Linux系統(tǒng)中，達到了近 400 行，不過代碼的整體邏輯是清晰的：

(1)copy_process() 函數(shù)首先檢查了一些標志位，接著調(diào)用 dup_task_struct() 函數(shù)為新進程創(chuàng)建內(nèi)核棧，以及上一節(jié)提到的 thread_info 和 task_struct 結(jié)構(gòu)：

調(diào)用 dup_task_struct() 函數(shù)為新進程創(chuàng)建內(nèi)核棧

創(chuàng)建后，接下來的 arch_dup_task_struct() 函數(shù)會將 orig 結(jié)構(gòu)拷貝給新創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)，查看相關(guān)C語言代碼，這一過程是清晰的：

拷貝給新創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)

此時子進程和父進程的描述符是完全相同的。

(2)接下來，需要檢查一些標志位和統(tǒng)計信息，相關(guān)的C語言代碼如下，請看：

檢查一些標志位和統(tǒng)計信息

(3)將一些統(tǒng)計量清零，以及初始化一些區(qū)別成員，此時雖然新進程的 task_struct 結(jié)構(gòu)體大多成員未被修改，但是父子進程已經(jīng)有所區(qū)別。這一過程的相關(guān)C語言代碼片段如下，請看：

將一些統(tǒng)計量清零，以及初始化一些區(qū)別成員

(4)將新創(chuàng)建的子進程狀態(tài)設置為 TASK_UNINTERRUUPTIBLE，確保其暫時不會被投入運行，這一過程的C語言代碼相對簡單。

(5)調(diào)用 alloc_pid() 函數(shù)為新進程分配一個獨一無二的 pid，相關(guān)C語言代碼如下，請看：

為新進程分配一個獨一無二的 pid

(6)根據(jù) clone() 函數(shù)的參數(shù)標志位，拷貝或共享已經(jīng)打開的文件、文件系統(tǒng)、信號處理函數(shù)、進程地址空間等資源，例如下面這段C語言代碼：

拷貝或共享已經(jīng)打開的資源

(7)將為新進程創(chuàng)建的 task_struct 結(jié)構(gòu)體的指針返回給調(diào)用者，也即 do_fork() 函數(shù)。此時新創(chuàng)建的進程還沒有被投入運行。

現(xiàn)在回到 do_fork() 函數(shù)。如果調(diào)用 clone() 函數(shù)時，沒有傳遞 CLONE_STOPPED 參數(shù)，新創(chuàng)建的進程將被喚醒，并投入運行，這一過程的C語言代碼如下：

喚醒，并投入運行

到這里，一個新的進程就被 Linux 創(chuàng)建完畢了。

Linux 內(nèi)核有意讓新創(chuàng)建的子進程先運行，因為子進程常常會立即調(diào)用 exec() 函數(shù)加載新的程序到內(nèi)存中運行，這樣就避免了寫時拷貝的額外開銷。如果父進程首先執(zhí)行，顯然極有可能開始往地址空間寫入操作，導致拷貝動作發(fā)生。

小結(jié)

本節(jié)詳細的從C語言代碼層面分析了Linux內(nèi)核創(chuàng)建進程的過程，可見，即使是復雜的操作系統(tǒng)代碼，也是通過一系列基本C語言語法和函數(shù)實現(xiàn)的。那么，Linux 是如何創(chuàng)建線程的呢?之前我們曾經(jīng)提到，Linux 系統(tǒng)并不特別區(qū)分進程和線程，線程其實是一種特殊的進程，Linux 是如何實現(xiàn)這一“特殊”過程的呢?限于篇幅，下一節(jié)再說了，敬請關(guān)注。