浅析fork系统调用

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fork函数

Linux下创建新进程的系统调用是fork，其定义如下：

#include < sys/types.h >

#include < unistd.h >

pid_t fork ( void ) ;

该函数每次调用返回两次，其中：

在父进程中返回的是子进程的 PID

在子进程中返回值是0

fork函数调用失败则返回-1

于是我们可以用pid = fork() 创建子进程，通过 pid < 0，pid == 0，pid > 0 三种情况来判断进程执行情况。

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#include< sys/types.h >
#include< unistd.h >

int main()
{
    pid_t pid;
    printf("start fork\n");
    pid = fork(); //调用fork函数创建子进程

    if ( pid < 0 )
        printf("error in fork");
    if ( pid == 0 )
        printf("I am child process . my id is %d \n", getpid() );//getpid函数返回的是当前进程的进程码
    if ( pid > 0)
        printf("I am parent process. my id is %d\n", getpid() );
    printf( "a process exit\n." );
    return 0;
}

该函数运行的结果：

start fork

I am child process. my id is 8099

a process exit

I am parent process. my id is 8098

a process exit

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fork函数执行后则创建了一个新的进程，这个新进程为原有进程( main 函数 )的子进程。执行的子进程返回值为0，所以执行pid == 0这条语句，getpid获取子进程的进程码为8099，之后执行父进程的时候fork返回的值为子进程的进程码，所以pid == 8099 则执行 pid > 0这条语句，getpid获取该进程( 父进程 )的进程码，即为8098.

以上是fork函数的基本知识。

详细见 参考资料：

http://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969(fork函数详解)

http://c.biancheng.net/cpp/html/2588.html(进程的概念)

http://c.biancheng.net/cpp/html/280.html(getpid函数用法)

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fork的系统调用实现：

父进程调用fork，因为这是一个系统调用，会导致int软中断，进入内核空间；

内核根据系统调用号， 调用sys_fork系统调用，而sys_fork系统调用则是通过clone系统调用实现的， 会调用clone系统调用。 clone函数中会调用do_fork函数。

do_fork函数：

1.创建进程描述符指针struct task_struct *p;

2.p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size, child_tidptr, NULL, trace);

调用copy_process为子进程复制出一份进程信息,并对相应的标志位等进行设置。

3.最后，copy_process 函数做了一些清理工作，返回一个指向新建的子进程的指针给 do_fork 函数。回到do_fork函数中，如果 copy_process 函数执行成功，没有错误，那么将会唤醒新创建的子进程，让子进程运行。

自此，fork 函数调用成功执行。

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copy_process函数参数说明：

stack_start表示的是用户状态下栈的起始地址。
regs是一个指向寄存器集合的指针，在其中保存了调用的参数。
stack_size是用户态下的栈大小，一般是不必要的，设置为0。
parent_tidptr和child_tidptr则分别是指向用户态下父进程和子进程的TID的指针。

补充：TID（thread id）可以理解为线程的ID。PID即为进程的ID。

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copy_process()的实现：

第一步：p = dup_task_struct(current)，其中dup_task_struct 函数将会为新进程创建一个内核栈内存、thread_iofo和task_struct内存,这里完全 copy父进程的内容，所以到目前为止，父进程和子进程是没有任何区别的，可以说此时父子进程的进程描述符是一致的。current 实际上是一个获取当前进程描述符的宏定义函数，返回当前调用系统调用的进程描述符，也就是父进程。

第二步：检查所有的进程数目是否已经超出了系统规定的最大进程数，如果没有的话，那么就开始设置进程描述符中的初始值，从这开始，父进程和子进程就开始区别开了。

第三步：设置子进程的状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断睡眠），从而 保证这个进程现在不能被投入运行，因为还有很多的标志位、数据等没有被设置。

第四步： 调用copy_flags函数更新task_struct结构中flags成员。 copy_flags(clone_flags, p);复制标志位（clone_flags）以及权限位(PE_SUPERPRIV（表示进程使用了超级用户权限）)和其他的一些标志， 根据 clone_flags 集合中的值，共享或者复制父进程打开的文件，文件系统信息，信号处理函数，进程地址空间，命名空间等资源。这些资源通常情况下在一个进程内的多个线程才会共享，对于我们现在分析的 fork 系统调用来说，对于这些资源都会复制一份到子进程。

第五步：因为在 do_fork 函数中调用 copy_process 函数的时候，参数pid的值为NULL，所以此时新建进程的 PID 其实还没有被分配。所以接下来的就是要给子进程分配一个PID，调用alloc_pid() 给子进程获取一个有效的并且是唯一的进程标识符PID。

第六步：调用 sched_fork(p, clone_flags); 父子进程平分父进程剩余的时间片。

第七步：return p; 返回一个指向子进程的指针。

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*clone_flags:
* /
#define CSIGNAL         　   0x000000ff
#define CLONE_VM            0x00000100
#define CLONE_FS        　  0x00000200
#define CLONE_FILES     　 0x00000400
#define CLONE_SIGHAND  0x00000800
#define CLONE_PTRACE      0x00002000
#define CLONE_VFORK       0x00004000
#define CLONE_PARENT     0x00008000
#define CLONE_THREAD     0x00010000
#define CLONE_NEWNS     0x00020000
#define CLONE_SYSVSEM  0x00040000
#define CLONE_SETTLS       0x00080000
#define CLONE_PARENT_SETTID      0x00100000
#define CLONE_CHILD_CLEARTID    0x00200000
#define CLONE_DETACHED              0x00400000
#define CLONE_UNTRACED             0x00800000
#define CLONE_CHILD_SETTID        0x01000000
#define CLONE_STOPPED           　 0x02000000
#define CLONE_NEWUTS                0x04000000
#define CLONE_NEWIPC                 0x08000000
#define CLONE_NEWUSER              0x10000000
#define CLONE_NEWPID                 0x20000000
#define CLONE_NEWNET                0x40000000
#define CLONE_IO                          0x80000000

问题：

子进程创建完成是什么时候被分配PID的和什么时候被放入调度队列的也就是什么时候被唤醒的？

答案：

什么时候分配PID？在copy_process函数执行过程中即可看到PID的分配。什么时候放入进程调度队列中的？首先想想，当调用copy_process函数，调用期间会执行让进程处于不可中断状态（task_uninterruptible），所以不会在copy_process期间就使得进程加入调度队列，当copy_process函数执行完毕，进程处于task_running状态，才会将进程PCB块加入到CPU可执行队列中，这个时候唤醒的进程有机会被调度。

参考资料：

http://www.embedu.org/column/column472.htm

http://blog.tonychow.me/blog/2013/06/27/linuxzhong-forkxi-tong-diao-yong-fen-xi/（推荐阅读）

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