Linux——fork进程复制，fork的写时拷贝技术

前言

进程是一个运行中的程序，每个进程都有一个进程控制块，英文缩写PCB，Linux系统中的进程控制块是一个结构体strut task_struct实现（PCB是进程存在的唯一标志）
数据结构中定义的内容是为后面的管理提供支持的，所以不同的操作系统根据自己的特点又对PCB的内容做了一些调整。

一般情况下，PCB中包含以下内容：

• 进程标识符（内部，外部）
• 处理机的信息（通用寄存器，指令计数器，PSW，用户的栈指针）。
• 进程调度信息（进程状态，进程的优先级，进程调度所需的其它信息，事件）
• 进程控制信息（程序的数据的地址，资源清单，进程同步和通信机制，链接指针）

当线程调用fork时，就为子进程创建了整个进程地址空间的副本，子进程和父进程是完全不同的进程，只要两者都没有对内存作出改动，父进程和子进程之间还可以共享内存页的副本。
子进程通过继承整个地址空间的副本、也从父进程那里继承了所有互斥量、读写锁和条件变量的状态、如果父进程包含多个线程、子进程在fork返回之后，如果紧接着不是马上调用exec的话，就需要清理锁状态。

事实上，子进程执行的代码和父进程一模一样，只是fork的返回值不同

• 父进程的fork的返回值是子进程的PID（大于0）
• 子进程的fork的返回值等于0（标志）

注：

• getpid():获取当前进程的PID
• getppid():获取当前进程父进程的PID

执行逻辑：只有当fork执行完成后，子进程才会被复制出来，子进程不会再去fork，并且子进程也不会从头开始执行，而是从返回值处开始执行。

bash就是我们“父进程”的“父进程”

也许有的时候父子进程的执行顺序不一样，是因为父子进程是并发运行的，执行顺序并不一定固定。

注意并发和并行的区别：

多线程中某个线程调用了fork创建子进程，在子进程中线程的运行情况是怎样的？

#include  
#include  
#include  
#include  
#include 

#include 

void *fun(void *arg) 
{    
	printf("fun start\n");
	pid_t pid = fork();
	assert(pid != -1);
	
    if(pid == 0)
    {
      	int i = 0;
        for(; i < 3; ++i)        
        {            
        	printf("child: mypid = %d\n", getpid());
        	sleep(1);        
        }    
     }    
     
     else    
     {        
     int i = 0;        
     for(; i < 3; ++i)        
	     {            
	     	printf("father: mypid = %d\n", getpid());            	
	     	sleep(1);        
	     }   
     } 
}
int main() 
{    
	pthread_t id;
	int res = pthread_create(&id, NULL, fun, NULL);
	assert(res == 0);
    int i = 0;
    for(; i < 5; ++i)    
    {        
    	printf("main and  mypid = %d\n", getpid());        
    	sleep(1);    
    }
    pthread_join(id, NULL);
    exit(0);
 }

执行结果及结论

多线程中调用fork的锁的继承问题

示例代码

#include  
#include  
#include 
#include 
#include 

#include 

pthread_mutex_t mutex;

void *fun(void *arg) 
{    
	sleep(1);
	printf("fun start\n");


    // pthread_mutex_lock(&mutex);    
    pid_t pid = fork();  // 调用fork时，互斥锁的状态是加锁状态    
    assert(pid != -1);    
    // pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 父子进程都会执行
    
    if(pid == 0)    
    {       
    	 pthread_mutex_lock(&mutex);
    	 int i = 0;
    	 for(; i < 3; ++i)        
    	 {            
    	 	printf("child: mypid = %d\n", getpid());            
    	 	sleep(1);        
    	 }        
    	 pthread_mutex_unlock(&mutex);    
    }    
    else    
    {        
    	pthread_mutex_lock(&mutex);
    	int i = 0;        
    	for(; i < 3; ++i)       
        {            
        	printf("father: mypid = %d\n", getpid());
        	sleep(1);        
        }        
        pthread_mutex_unlock(&mutex);    
        } 
     }
int main() 
{    
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    
	pthread_t id;    
	int res = pthread_create(&id, NULL, fun, NULL);   
    assert(res == 0);
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    int i = 0;    
    for(; i < 5; ++i)    
    {        
    	printf("main and  mypid = %d\n", getpid());        
    	sleep(1);    
    }    
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
    pthread_join(id, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);    
    exit(0); 
 }

结论
调用fork时，子进程会复制父进程的锁，（子进程会继承父进程互斥锁的状态）
解决方案
使用互斥锁对fork()调用做保护，使fork在调用过程中的锁是被自己加锁的，线程库提供了一个注册方法pthread_atfork()
注册方法

1. prepare这个方法——对所有的锁执行加锁操作，他会在fork调用之前调用
2. parent这个方法——对所有的锁执行解锁操作，他会在fork调用之后在父进程中执行
3. child这个方法——对所有的锁执行解锁操作，他会在fork调用之后在子进程中执行。

int pthread_atfork(void (*prepare)();void (*parent),void (*child));

fork的写时拷贝技术

一种推迟或者免除拷贝的技术。

内核fork()时并不复制整个进程地址空间，而是让父子进程共享一个地址空间——>只有在需要写入时，数据才会被复制，从而使各个进程拥有各自的拷贝数据。

也就是说，只有在需要写入的时候才复制资源，在此之前，以只读方式共享。

在进程实体的逻辑页中，假如子进程对0号页和1号页进行了修改，那么就单独按照页表将父子进程的这两个页表单独复制出来，2号页和3号页未被修改，其实是可以共享的，只有需要修改这两个页面时，才单独拷贝出来，相当于将页面的复制时间推迟（这也就是写时拷贝技术的含义），这一点用户也不会感受到。

• 注意：写时拷贝技术是以“页”为单位