關(guān)于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的

本文是關(guān)于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或許已經(jīng)知道，也有人還不知道。幾年前當(dāng)我了解到這些時(shí)，我驚嘆不已。

我們要做的是啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程。我們已經(jīng)在博客上討論了很多關(guān)于系統(tǒng)調(diào)用的問題，每當(dāng)你啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程或者打開一個(gè)文件，這都是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。所以你可能會(huì)認(rèn)為有這樣的系統(tǒng)調(diào)用：

start_process(["ls","-l","my_cool_directory"])

這是一個(gè)合理的想法，顯然這是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想說的是，這并不是 Linux 上的工作原理。但是，我查閱了文檔，確實(shí)有一個(gè) posix_spawn 的系統(tǒng)調(diào)用基本上是這樣做的，不過這不在本文的討論范圍內(nèi)。

fork 和 exec

Linux 上的 posix_spawn 是通過兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，分別是 fork 和 exec（實(shí)際上是 execve），這些都是人們常常使用的。盡管在 OS X 上，人們使用 posix_spawn，而 fork 和 exec 是不提倡的，但我們將討論的是 Linux。

Linux 中的每個(gè)進(jìn)程都存在于“進(jìn)程樹”中。你可以通過運(yùn)行 pstree 命令查看進(jìn)程樹。樹的根是 init，進(jìn)程號(hào)是 1。每個(gè)進(jìn)程（init 除外）都有一個(gè)父進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程都可以有很多子進(jìn)程。

所以，假設(shè)我要啟動(dòng)一個(gè)名為 ls 的進(jìn)程來列出一個(gè)目錄。我是不是只要發(fā)起一個(gè)進(jìn)程 ls 就好了呢？不是的。

我要做的是，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程是我（me）本身的一個(gè)克隆，然后這個(gè)子進(jìn)程的“腦子”被吃掉了，變成 ls。

開始是這樣的：

my parent

|- me

然后運(yùn)行 fork()，生成一個(gè)子進(jìn)程，是我（me）自己的一份克?。?/p>

my parent

|- me

|-- cloneof me

然后我讓該子進(jìn)程運(yùn)行 exec("ls")，變成這樣：

my parent

|- me

|-- ls

當(dāng) ls 命令結(jié)束后，我?guī)缀跤肿兓亓宋易约海?/p>

my parent

|- me

|-- ls(zombie)

在這時(shí) ls 其實(shí)是一個(gè)僵尸進(jìn)程。這意味著它已經(jīng)死了，但它還在等我，以防我需要檢查它的返回值（使用 wait 系統(tǒng)調(diào)用）。一旦我獲得了它的返回值，我將再次恢復(fù)獨(dú)自一人的狀態(tài)。

my parent

|- me

fork 和 exec 的代碼實(shí)現(xiàn)

如果你要編寫一個(gè) shell，這是你必須做的一個(gè)練習(xí)。

事實(shí)證明，有了 C 或 Python 的技能，你可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)編寫一個(gè)非常簡(jiǎn)單的 shell，像 bash 一樣。（至少如果你旁邊能有個(gè)人多少懂一點(diǎn)，如果沒有的話用時(shí)會(huì)久一點(diǎn)。）我已經(jīng)完成啦，真的很棒。

這就是 fork 和 exec 在程序中的實(shí)現(xiàn)。我寫了一段 C 的偽代碼。請(qǐng)記住，fork 也可能會(huì)失敗哦。

intpid = fork();

// 我要分身啦

// “我”是誰呢？可能是子進(jìn)程也可能是父進(jìn)程

if(pid == 0){

// 我現(xiàn)在是子進(jìn)程

// “l(fā)s” 吃掉了我腦子，然后變成一個(gè)完全不一樣的進(jìn)程

exec(["ls"])

}elseif(pid == -1){

// 天啊，fork 失敗了，簡(jiǎn)直是災(zāi)難！

}else{

// 我是父進(jìn)程耶

// 繼續(xù)做一個(gè)酷酷的美男子吧

// 需要的話，我可以等待子進(jìn)程結(jié)束

}

上文提到的“腦子被吃掉”是什么意思呢？

進(jìn)程有很多屬性：

打開的文件（包括打開的網(wǎng)絡(luò)連接）

環(huán)境變量

信號(hào)處理程序（在程序上運(yùn)行 Ctrl + C 時(shí)會(huì)發(fā)生什么？）

內(nèi)存（你的“地址空間”）

寄存器

可執(zhí)行文件（/proc/$pid/exe）

cgroups 和命名空間（與 Linux 容器相關(guān)）

當(dāng)前的工作目錄

運(yùn)行程序的用戶

其他我還沒想到的

當(dāng)你運(yùn)行execve并讓另一個(gè)程序吃掉你的腦子的時(shí)候，實(shí)際上幾乎所有東西都是相同的！ 你們有相同的環(huán)境變量、信號(hào)處理程序和打開的文件等等。

唯一改變的是，內(nèi)存、寄存器以及正在運(yùn)行的程序，這可是件大事。

為何 fork 并非那么耗費(fèi)資源（寫入時(shí)復(fù)制）

你可能會(huì)問：“如果我有一個(gè)使用了 2GB 內(nèi)存的進(jìn)程，這是否意味著每次我啟動(dòng)一個(gè)子進(jìn)程，所有 2 GB 的內(nèi)存都要被復(fù)制一次？這聽起來要耗費(fèi)很多資源！”

事實(shí)上，Linux 為fork()調(diào)用實(shí)現(xiàn)了寫時(shí)復(fù)制copy on write，對(duì)于新進(jìn)程的 2GB 內(nèi)存來說，就像是“看看舊的進(jìn)程就好了，是一樣的！”。然后，當(dāng)如果任一進(jìn)程試圖寫入內(nèi)存，此時(shí)系統(tǒng)才真正地復(fù)制一個(gè)內(nèi)存的副本給該進(jìn)程。如果兩個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存是相同的，就不需要復(fù)制了。

為什么你需要知道這么多

你可能會(huì)說，好吧，這些細(xì)節(jié)聽起來很厲害，但為什么這么重要？關(guān)于信號(hào)處理程序或環(huán)境變量的細(xì)節(jié)會(huì)被繼承嗎？這對(duì)我的日常編程有什么實(shí)際影響呢？

有可能哦！比如說，在 Kamal 的博客上有一個(gè)很有意思的bug。它討論了 Python 如何使信號(hào)處理程序忽略了SIGPIPE。也就是說，如果你從 Python 里運(yùn)行一個(gè)程序，默認(rèn)情況下它會(huì)忽略SIGPIPE！這意味著，程序從 Python 腳本和從 shell 啟動(dòng)的表現(xiàn)會(huì)有所不同。在這種情況下，它會(huì)造成一個(gè)奇怪的問題。

所以，你的程序的環(huán)境（環(huán)境變量、信號(hào)處理程序等）可能很重要，都是從父進(jìn)程繼承來的。知道這些，在調(diào)試時(shí)是很有用的。