從C語(yǔ)言來(lái)分析Linux系統(tǒng)是如何創(chuàng)建的

許多操作系統(tǒng)都提供了專門的進(jìn)程產(chǎn)生機(jī)制，比較典型的過(guò)程是：首先在內(nèi)存新的地址空間里創(chuàng)建進(jìn)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(guò)程，而是將創(chuàng)建過(guò)程拆分到兩組獨(dú)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(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程。產(chǎn)生的子進(jìn)程與父進(jìn)程的區(qū)別僅在與 PID 與 PPID 以及某些資源和統(tǒng)計(jì)量，例如掛起的信號(hào)等。準(zhǔn)備好進(jìn)程運(yùn)行的地址空間后，exec() 函數(shù)族負(fù)責(zé)讀取可執(zhí)行程序，并將其加載到相應(yīng)的位置開(kāi)始執(zhí)行。

Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)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(jìn)程創(chuàng)建方式效果是相似的，可能有讀者會(huì)覺(jué)得這么做會(huì)讓進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)于繁瑣，其實(shí)不是的，Linux 這么做的其中一個(gè)原因是為了提高代碼的復(fù)用率，這得益于 Linux 高度概括的抽象，無(wú)需再額外設(shè)計(jì)一套機(jī)制用于創(chuàng)建進(jìn)程。

早期 Linux 中的 fork() 函數(shù)直接把父進(jìn)程的所有資源賦值給創(chuàng)建出的子進(jìn)程，這樣的機(jī)制自然是簡(jiǎn)單的，但是效率卻比較低下。原因是顯而易見(jiàn)的：子進(jìn)程并不一定要使用父進(jìn)程的資源，或者子進(jìn)程可能僅需以只讀的方式訪問(wèn)父進(jìn)程的資源，這時(shí)“拷貝一份資源”就純屬多余的開(kāi)銷了。

針對(duì)這樣的問(wèn)題，Linux 后續(xù)版本中的 fork() 函數(shù)開(kāi)始采用“寫時(shí)拷貝”機(jī)制。寫時(shí)拷貝技術(shù)可以將拷貝需求延遲，甚至免除拷貝，減小開(kāi)銷。具體來(lái)說(shuō)就是，Linux 在調(diào)用 fork() 創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，并不著急拷貝整個(gè)進(jìn)程地址空間，而是暫時(shí)讓父子進(jìn)程以只讀的方式共享同一個(gè)拷貝?？截悇?dòng)作只在子進(jìn)程需要寫入時(shí)才會(huì)發(fā)生，以確保各個(gè)進(jìn)程有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間。

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

事實(shí)上，fork() 函數(shù)的實(shí)際開(kāi)銷就是復(fù)制父進(jìn)程的頁(yè)表以及給子進(jìn)程創(chuàng)建唯一的進(jìn)程描述符。在大多數(shù)情況下，Linux 創(chuàng)建進(jìn)程后都會(huì)馬上運(yùn)行新的可執(zhí)行程序，因此“寫時(shí)拷貝”機(jī)制可以避免相當(dāng)多的數(shù)據(jù)拷貝。創(chuàng)建進(jìn)程速度快是 Linux 系統(tǒng)的一個(gè)特征，因此“寫時(shí)拷貝”是一種相當(dāng)重要的優(yōu)化。

創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，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(jìn)程，就拷貝一次數(shù)據(jù)，開(kāi)銷顯然是非常大的。

此時(shí)子進(jìn)程和父進(jìn)程的描述符是完全相同的。將新創(chuàng)建的子進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為 TASK_UNINTERRUUPTIBLE，確保其暫時(shí)不會(huì)被投入運(yùn)行，這一過(guò)程的C語(yǔ)言代碼相對(duì)簡(jiǎn)單。將為新進(jìn)程創(chuàng)建的 task_struct 結(jié)構(gòu)體的指針?lè)祷亟o調(diào)用者，也即 do_fork() 函數(shù)。此時(shí)新創(chuàng)建的進(jìn)程還沒(méi)有被投入運(yùn)行。到這里，一個(gè)新的進(jìn)程就被 Linux 創(chuàng)建完畢了。

Linux 內(nèi)核有意讓新創(chuàng)建的子進(jìn)程先運(yùn)行，因?yàn)樽舆M(jìn)程常常會(huì)立即調(diào)用 exec() 函數(shù)加載新的程序到內(nèi)存中運(yùn)行，這樣就避免了寫時(shí)拷貝的額外開(kāi)銷。如果父進(jìn)程首先執(zhí)行，顯然極有可能開(kāi)始往地址空間寫入操作，導(dǎo)致拷貝動(dòng)作發(fā)生。