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linux中的fork函数是如何创建一个新的进程的

本篇文章为大家展示了linux中的fork函数是如何创建一个新的进程的，内容简明扼要并且容易理解，绝对能使你眼前一亮，通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。

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前面已经谈了内核加载与系统引导过程，下面我们来看看内核的 do_fork() 函数是如何创建一个新的进程的。


在 Linux 内核中,供用户创建进程的系统调用fork()函数的响应函数是 sys_fork()、sys_clone()、sys_vfork()。这三个函数都是通过调用内核函数 do_fork() 来实现的。根据


调用时所使用的 clone_flags 参数不同，do_fork() 函数完成的工作也各异。


这部分内容简单，我不打算就此而展开分析。下面我们重点来讲解以下 do_fork() 函数的工作原理。


我们知道 do_fork() 函数生成一个新的进程，大致分为三个步骤。


1、建立进程控制结构并赋初值，使其成为进程映像。这个过程完成以下内容。

 



    在内存中分配一个 task_struct 数据结构，以代表即将产生的新进程。

    把父进程 PCB 的内容复制到新进程的 PCB 中。

    为新进程分配一个唯一的进程标识号 PID 和 user_struct 结构。然后检查用户具有执行一个新进程所必须具有的资源。

    重新设置 task_struct 结构中那些与父进程值不同的数据成员。

    设置进程管理信息，根据所提供的 clone_flags 参数值，决定是否对父进程 task_struct 中的指针 fs 、files 指针等所选择的部分进行拷贝，如果 clone_flags 参数指明的是


    共享而不是拷贝，则将其计数器 count 的值加 1 ，否则就拷贝新进程所需要的相关信息内容 PCB 。这个地方是区分 sys_fork() 还是 sys_clone() 。

2、必须为新进程的执行设置跟踪进程执行情况的相关内核数据结构。包括 任务数组、自由时间列表 tarray_freelist 以及 pidhash[] 数组。

这部分完成如下内容：



    把新进程加入到进程链表中。

    把新进程加入到 pidhash 散列表中，并增加任务计数值。

    通过拷贝父进程的上、下文来初始化硬件的上下文（TSS段、LDT以及 GDT）。

3、启动调度程序，使子进程获得运行的机会。

这部分完成以下动作：



    设置新的就绪队列状态 TASK_RUNING , 并将新进程挂到就绪队列中，并重新启动调度程序使其运行。

    向父进程返回子进程的 PID，设置子进程从 do_fork() 返回 0 值。

下面就具体的 do_fork() 函数程序代码进行分析（该代码位于 kernel/fork.c 文件中）



int do_fork(unsigned long clone_flags,unsigned long stack_start, struct pt_regs *regs,

                unsigned long stack_size)

{

        int                   retval;

        struct  task_struct   *p;

        struct  completion    vfork;


        retval = -EPERM ;


        if ( clone_flags & CLONE_PID )

        {

              if ( current->pid )

                      goto fork_out;

        }


        reval = -ENOMEM ;

        

        p = alloc_task_struct();    // 分配内存建立新进程的 task_struct 结构

        if ( !p )

               goto fork_out;


        *p = *current ;  //将当前进程的 task_struct 结构的内容复制给新进程的 PCB结构


        retval = -EAGAIN;


        //下面代码对父、子进程 task_struct 结构中不同值的数据成员进行赋值


        if ( atomic_read ( &p->user->processes ) >= p->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur

                && !capable( CAP_SYS_ADMIN ) && !capable( CAP_SYS_RESOURCE ))

                goto bad_fork_free;


        atomic_inc ( &p->user->__count);   //count 计数器加 1

        atomic_inc ( &p->user->processes); //进程数加 1


        if ( nr_threads >= max_threads )

               goto bad_fork_cleanup_count ;


        get_exec_domain( p->exec_domain );


        if ( p->binfmt && p->binfmt->module )

                  __MOD_INC_USE_COUNT( p->binfmt->module ); //可执行文件 binfmt 结构共享计数 + 1 

        p->did_exec = 0 ;                                   //进程未执行

        p->swappable = 0 ;                                  //进程不可换出

        p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE ;                   //置进程状态

        copy_flags( clone_flags,p );                        //拷贝进程标志位

        p->pid = get_pid( clone_flags );                    //为新进程分配进程标志号

        p->run_list.next = NULL ;

        p->run_list.prev = NULL ;

        p->run_list.cptr = NULL ;


        init_waitqueue_head( &p->wait_childexit );          //初始化 wait_childexit 队列


        p->vfork_done  = NULL ;


        if ( clone_flags & CLONE_VFORK ) {

               p->vfork_done = &vfork ; 

               init_completion(&vfork) ;

        }


        spin_lock_init( &p->alloc_lock );


        p->sigpending = 0 ;


        init_sigpending( &p->pending );

        p->it_real_value = p->it_virt_value = p->it_prof_value = 0 ; //初始化时间数据成员

        p->it_real_incr = p->it_virt_incr = p->it_prof_incr = 0 ;    //初始化定时器结构

        init_timer( &p->real_timer );

        p->real_timer.data = (unsigned long)p;

        p->leader = 0 ;

        p->tty_old_pgrp = 0 ;

        p->times.tms_utime = p->times.tms_stime = 0 ;                 //初始化进程的各种运行时间

        p->times.tms_cutime = p->times.tms_cstime = 0 ;

#ifdef CONFIG_SMP                 //初始化对称处理器成员

   {

        int      i;

        p->cpus_runnable = ~0UL;

        p->processor = current->processor ;

        for( i = 0 ; i < smp_num_cpus ; i++ )

                 p->per_cpu_utime[ i ] = p->per_cpu_stime[ i ] = 0;

        spin_lock_init ( &p->sigmask_lock );

    }


#endif

        p->lock_depth = -1 ;        // 注意：这里 -1 代表 no ,表示在上下文切换时，内核不上锁

        p->start_time = jiffies ;   // 设置进程的起始时间


        INIT_LIST_HEAD ( &p->local_pages );

        retval = -ENOMEM ;


        if ( copy_files ( clone_flags , p ))      //拷贝父进程的 files 指针，共享父进程已打开的文件

                goto bad_fork_cleanup ;


        if ( copy_fs ( clone_flags , p ))         //拷贝父进程的 fs 指针，共享父进程文件系统

                goto bad_fork_cleanup_files ;


        if ( copy_sighand ( clone_flags , p ))    //子进程共享父进程的信号处理函数指针

                goto bad_fork_cleanup_fs ;


        if ( copy_mm ( clone_flags , p ))

                goto bad_fork_cleanup_mm ;        //拷贝父进程的 mm 信息，共享存储管理信息


        retval = copy_thread( 0 , clone_flags , stack_start, stack_size , p regs );

                                                  //初始化 TSS、LDT以及GDT项


        if ( retval )

                goto bad_fork_cleanup_mm ;


        p->semundo = NULL ;                       //初始化信号量成员


        p->prent_exec_id = p-self_exec_id ;


        p->swappable = 1 ;                        //进程占用的内存页面可换出


        p->exit_signal = clone_flag & CSIGNAL ;


        p->pdeatch_signal = 0 ;                   //注意：这里是父进程消亡后发送的信号


        p->counter = (current->counter + 1) >> 1 ;//进程动态优先级，这里设置成父进程的一半,应注意的是，这里是采用位操作来实现的。


        current->counter >> =1;


        if ( !current->counter )

                current->need_resched = 1 ;        //置位重新调度标记，实际上从这个地方开始，分裂成了父子两个进程。

        

        retval = p->pid ;


        p->tpid = retval ;

        INIT_LIST_HEAD( &p->thread_group );


        write_lock_irq( &tasklist_lock );


        p->p_opptr = current->p_opptr ;

        p->p_pptr = current->p_pptr ;


        if ( !( clone_flags & (CLONE_PARENT | CLONE_THREAD ))) {

                 p->opptr = current ;

                 if ( !(p->ptrace & PT_PTRACED) )

                         p->p_pptr = current ;

        }


        if ( clone_flags & CLONE_THREAD ){

                 p->tpid = current->tpid ;

                 list_add ( &p->thread_group,¤t->thread_group );

        }


        SET_LINKS(p);


        hash_pid(p);

        nr_threads++;


        write_unlock_irq( &tasklist_lock );

        if ( p->ptrace & PT_PTRACED )

                  send_sig( SIGSTOP , p ,1 );

        wake_up_process(p);        //把新进程加入运行队列，并启动调度程序重新调度，使新进程获得运行机会

        ++total_forks ; 

        if ( clone_flags & CLONE_VFRK )

                  wait_for_completion(&vfork);


        //以下是出错处理部分

        fork_out:

                  return retval;

        bad_fork_cleanup_mm:

                  exit_mm(p);

        bad_fork_cleanup_sighand:

                  exit_sighand(p);

        bad_fork_cleanup_fs:

                  exit_fs(p);

        bad_fork_cleanup_files:

                  exit_files(p);


        bad_fork_cleanup:

                  put_exec_domain( p->exec_domain );


                  if ( p->binfmt && p->binfmt->module )

                                __MOD_DEC_USE_COUNT( p->binfmt->module );

        bad_fork_cleanup_count:

                  atomic_dec( &p->user->processes );

                  free_uid ( p->user );

        bad_fork_free:

                  free_task_struct(p);

                  goto fork_out;

}




PS:

代码是分析完了，有两个方面的体会：

一、这个函数重点是理解进程分裂的部分，其中两次返回 pid 的值是理解的重中之重。

二、尽管我一直不主张在程序中大量使用 goto 语句，不得不承认，那些大牛的 goto 语句用在此处是恰到好处啊。^_^

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网站题目：linux中的fork函数是如何创建一个新的进程的
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