linux系统调用fork, vfork, clone

fork,vfork,clone都是linux的系统调用，用来创建子进程的（确切说vfork创造出来的是线程）。

先介绍下进程必须的4要点：

a.要有一段程序供该进程运行，就像一场戏剧要有一个剧本一样。该程序是可以被多个进程共享的，多场戏剧用一个剧本一样。

b.有起码的私有财产，就是进程专用的系统堆栈空间。

c.有“户口”，既操作系统所说的进程控制块，在linux中具体实现是task_struct

d.有独立的存储空间。

当一个进程缺少d条件时候，我们称其为线程。

1.fork 创造的子进程复制了父亲进程的资源，包括内存的内容task_struct内容（2个进程的pid不同）。这里是资源的复制不是指针的复制。下面的例子可以看出

[root@liumengli program]# cat testFork.c
#include"stdio.h"

int main() {
        int count = 1;
        int child;

        if(!(child = fork())) { //开始创建子进程
                printf("This is son, his count is: %d. and his pid is: %d\n", ++count, getpid());//子进程的内容
        } else {
                printf("This is father, his count is: %d, his pid is: %d\n", count, getpid());
        }
}
[root@liumengli program]# gcc testFork.c -o testFork
[root@liumengli program]# ./testFork
This is son, his count is: 2. and his pid is: 3019
This is father, his count is: 1, his pid is: 3018
[root@liumengli program]# 
从代码里面可以看出2者的pid不同，内存资源count是值得复制，子进程改变了count的值，而父进程中的count没有被改变。有人认为这样大批量的复制会导致执行效率过低。其实在复制过程中，子进程复制了父进程的task_struct，系统堆栈空间和页面表，这意味着上面的程序，我们没有执行count++前，其实子进程和父进程的count指向的是同一块内存。而当子进程改变了父进程的变量时候，会通过copy_on_write的手段为所涉及的页面建立一个新的副本。所以当我们执行++count后，这时候子进程才新建了一个页面复制原来页面的内容，基本资源的复制是必须的，而且是高效的。整体看上去就像是父进程的独立存储空间也复制了一遍。

 

其次，我们看到子进程和父进程直接没有互相干扰，明显2者资源都独立了。我们看下面程序

[root@liumengli program]# cat testFork.c
#include"stdio.h"

int main() {
        int count = 1;
        int child;

        if(!(child = fork())) {
                int i;
                for(i = 0; i < 200; i++) {
                        printf("This is son, his count is: %d. and his pid is: %d\n", i, getpid());
                }
        } else {
                printf("This is father, his count is: %d, his pid is: %d\n", count, getpid());
        }
}
[root@liumengli program]# gcc testFork.c -o testFork
[root@liumengli program]# ./testFork
...

This is son, his count is: 46. and his pid is: 4092
This is son, his count is: 47. and his pid is: 4092
This is son, his count is: 48. and his pid is: 4092
This is son, his count is: 49. and his pid is: 4092
This is son, his count is: 50. and his pid is: 4092
This is father, his count is: 1, his pid is: 4091
[root@liumengli program]# This is son, his count is: 51. and his pid is: 4092
This is son, his count is: 52. and his pid is: 4092
...

（运气很衰，非要200多个才有效果，郁闷）从结果可以看出父子2个进程是同步运行的。这和下面的vfork有区别。

 

2.vfork创建出来的不是真正意义上的进程，而是一个线程，因为它缺少了我们上面提到的进程的四要素的第4项，独立的内存资源，看下面的程序

[root@liumengli program]# cat testVfork.c
#include "stdio.h"

int main() {
        int count = 1;
        int child;

        printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count);
        if(!(child = vfork())) {
                printf("This is son, his pid is: %d and the count is: %d\n", getpid(), ++count);
                exit(1);
        } else {
                printf("After son, This is father, his pid is: %d and the count is: %d, and the child is: %d\n", getpid(), count, child);
        }
}
[root@liumengli program]# gcc testVfork.c -o testVfork
[root@liumengli program]# ./testVfork 
Before create son, the father's count is:1
This is son, his pid is: 4185 and the count is: 2
After son, This is father, his pid is: 4184 and the count is: 2, and the child is: 4185
[root@liumengli program]# 
从运行结果可以看到vfork创建出的子进程（线程）共享了父进程的count变量，这一次是指针复制，2者的指针指向了同一个内存，所以子进程修改了count变量，父进程的 count变量同样受到了影响。另外由vfork创造出来的子进程还会导致父进程挂起，除非子进程exit或者execve才会唤起父进程，看下面程序：

[root@liumengli program]# cat testVfork.c
#include "stdio.h"

int main() {
        int count = 1;
        int child;

        printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count);
        if(!(child = vfork())) {
                int i;
                for(i = 0; i < 100; i++) {
                        printf("This is son, The i is: %d\n", i);
                        if(i == 70)
                                exit(1);
                }
                printf("This is son, his pid is: %d and the count is: %d\n", getpid(), ++count);
                exit(1);
        } else {
                printf("After son, This is father, his pid is: %d and the count is: %d, and the child is: %d\n", getpid(), count, child);
        }
}
[root@liumengli program]# gcc testVfork.c -o testVfork
[root@liumengli program]# ./testVfork 
...

This is son, The i is: 68
This is son, The i is: 69
This is son, The i is: 70
After son, This is father, his pid is: 4433 and the count is: 1, and the child is: 4434
[root@liumengli program]# 
从这里就可以看到父进程总是等子进程执行完毕后才开始继续执行。

 

3.clone函数功能强大，带了众多参数，因此由他创建的进程要比前面2种方法要复杂。clone可以让你有选择性的继承父进程的资源，你可以选择想vfork一样和父进程共享一个虚存空间，从而使创造的是线程，你也可以不和父进程共享，你甚至可以选择创造出来的进程和父进程不再是父子关系，而是兄弟关系。先有必要说下这个函数的结构

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

这里fn是函数指针，我们知道进程的4要素，这个就是指向程序的指针，就是所谓的“剧本", child_stack明显是为子进程分配系统堆栈空间（在linux下系统堆栈空间是2页面，就是8K的内存，其中在这块内存中，低地址上放入了值，这个值就是进程控制块task_struct的值）,flags就是标志用来描述你需要从父进程继承那些资源， arg就是传给子进程的参数）。下面是flags可以取的值

标志                    含义

  CLONE_PARENT   创建的子进程的父进程是调用者的父进程，新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”

  CLONE_FS           子进程与父进程共享相同的文件系统，包括root、当前目录、umask

  CLONE_FILES      子进程与父进程共享相同的文件描述符（file descriptor）表

  CLONE_NEWNS   在新的namespace启动子进程，namespace描述了进程的文件hierarchy

  CLONE_SIGHAND   子进程与父进程共享相同的信号处理（signal handler）表

  CLONE_PTRACE   若父进程被trace，子进程也被trace

  CLONE_VFORK     父进程被挂起，直至子进程释放虚拟内存资源

  CLONE_VM           子进程与父进程运行于相同的内存空间

  CLONE_PID          子进程在创建时PID与父进程一致

  CLONE_THREAD    Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准，子进程与父进程共享相同的线程群

下面的例子是创建一个线程（子进程共享了父进程虚存空间，没有自己独立的虚存空间不能称其为进程）。父进程被挂起当子线程释放虚存资源后再继续执行。

[root@liumengli program]# cat test_clone.c
#include "stdio.h"
#include "sched.h"
#include "signal.h"
#define FIBER_STACK 8192
int a;
void * stack;
int do_something(){
        printf("This is son, the pid is:%d, the a is: %d\n", getpid(), ++a);
        free(stack); //这里我也不清楚，如果这里不释放，不知道子线程死亡后，该内存是否会释放，知情者可以告诉下,谢谢
        exit(1);
}
int main() {
        void * stack;
        a = 1;
        stack = malloc(FIBER_STACK);//为子进程申请系统堆栈
        if(!stack) {
                printf("The stack failed\n");
                exit(0);
        }

        printf("creating son thread!!!\n");

        clone(&do_something, (char *)stack + FIBER_STACK, CLONE_VM|CLONE_VFORK, 0);//创建子线程
         printf("This is father, my pid is: %d, the a is: %d\n", getpid(), a);
         exit(1);
}
[root@liumengli program]# gcc test_clone.c -o test_clone
[root@liumengli program]# ./test_clone
creating son thread!!!
This is son, the pid is:7326, the a is: 2
This is father, my pid is: 7325, the a is: 2
[root@liumengli program]#

读者可以试试其它的资源继承方式。