研究一下 fork 的原理，并且还有 vfork 的一些使用场景

笔者一直试图从最基本的原理上去理解（甚至尝试原理性设计）一个服务器的架构，为此提出了一些问题。此外，笔者对 异步 I/O 也有不少学习。从几个方面学习了 vfork() 的用法。

本文纯粹记录一下。不过不同于其他资料的大段代码，本文更多地用文字和排版来尽可能清晰地说明。

本文地址：https://segmentfault.com/a/1190000010411198

Reference:

linux网络编程之socket（四）：使用fork并发处理多个client的请求和对等通信p2p
fork和vfork的区别

fork 和 vfork

fork() 应该说是 UNIX 和类 UNIX 系统中最古老和最原始的创建子进程的系统调用了。甚至可以说，fork 不仅仅是创建子进程，而更多的是创建进程的主要手段。除了 init 进程之外，所以进程都是从 init 派生出来的。很多进程都可以是由 init 或者是 bash 的子进程，但这种情况下，我们已经不把它们作为子进程来看待了。

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fork( )

简单一句话，fork()的做法就是拷贝父进程的上下文，然后再从父进程中分离出来。其实可能大部分程序员对 fork() 的用法是：创建子进程，然后父子进程使用 pipe 通信。

fork 复制的上下文与父进程的关系

在实际使用中，确实就按照上文而言，fork() 之后的子进程对父进程是拷贝关系。也就是说，子进程对大多数变量的操作，都是不会影响父进程的。

但是文件描述符等涉及操作系统层面的全局资源需要注意：这些仅仅是上下文在内存中的位置不同，但是它们底层所指向的资源是共享的，操作时需要注意。不过事实上，这也是父子进程使用 pipe 互相通信的原理基础。

fork 复制上下文的原理

我被问过一个问题：“fork() 调用时要拷贝上下文，这么做在大进程中调用的时候是不是效率很低？”

Linux 作为开源运动的集大成之作，显然不会那么蠢。事实上，调用 fork 之后，Linux 不会立即复制上下文，而是需要时才复制。所以我们可以放心效率和内存占用。不过有一个例外，下文会很快说到。

至于 Linux 实现这一过程的原理，下面是我的推测，如果不对，请读者指出——

现代操作系统依赖于一个很重要的技术，就是内存映射，这需要硬件 CPU 支持 MMU。一个进程看到的内存地址，实际并不是 RAM 的实际内存偏移值。操作系统会将进程实际使用的内存地址值映射到实际的硬件 RAM 中。如果系统强行或者意外访问了映射表中未注册的地址值区间，那么硬件 MMU 模块会发出一个底层硬件中断。操作系统监听这个中断，就可以知道发生了非法内存访问，也就是segmentation fault。

有了 MMU 这么强大的东西，怎么不用呢？fork 之后，对于那些子进程还没有使用到的父进程内存内容，操作系统可以先放一放，不急着在内存中创建副本。如果子进程处理中出现了越界访问，那么操作系统完全可以判断一下该内存是否父进程的内存内容。如果不是，则抛出段错误；如果是，就复制内存内容并且创建内存映射——这就是子进程真正复制父进程内容的时刻。

至于程序段？那是只读内容，压根不用拷贝，共享同一段实际内存就行了。

所以就像前文所说，我们不用担心子进程的内存浪费问题。但是例外的情况就是：比如进程 A fork 了子进程 B，子进程 B 的实际内存使用很少，因而增加的实际内存不多。但是一旦进程 A 退出了，那么进程 A 所占有的那些内存不能回收呀，因为操作系统咋知道进程 B 要不要使用 A 的内存内容？

换句话说，调用 fork() 的进程还是尽量节省内存，或者说尽量即用即还。

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vfork( )

首先：
vfork 与 fork 最大的区别是：子进程与父进程共享相同的内存空间。换句话说，子进程对所有变量的操作，都会直接影响父进程——而这也就是很多人忌惮 vfork 的原因。为了避免这样的操作，vfork 有一个额外的与 fork 的不同：

其次：
vfork 之后得到的子进程，可以保证在调用 exit 或者 exec 系列调用之前，父进程都不会被执行。这是一个非常重要的特性，上述的两个特性，也就引出了 vfork 的应用场景。

Shell 调用系统命令

这里主要是应用了上文提到的第二个特性。详情请见我以前的文章。

跨进程计数

这源于我最近看的某个代码中的一个功能，那就是对各个进程中某个操作进行计数（也就是++）。

这个时候 vfork 就派上用场了。但要注意，因为上面提到的 vfork 的隐患在，因此这非常考验程序设计艺术……呃，本来想要多写一些的，但是实际上，这样的一个场景，要怎么设计、怎么实现，还没好好思考好好考虑……所以先把思路放在这儿，继续好好学习吧。

（啥？进程互斥？放心，++ i 是一个原子操作，只需要一条机器指令就可以完成，不用考虑互斥）