fork()是如何创建新进程的

最新推荐文章于 2025-05-28 20:39:22 发布

mightySheldor

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分类专栏： linux课程文章标签： fork linux 系统调用进程

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本文深入解析Linux中进程创建的过程，包括使用clone、fork和vfork系统调用创建新进程的具体步骤，以及进程描述符task_struct的复制和初始化细节。

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进程，我们一般都把它看做是程序执行的一个实例，是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立的单位。有产生、有消亡。当一个进程创建时，子进程可以继承父进程所有资源，撤销时，也要归还所有资源。

一、进程描述符

我们一般所说的进程控制块PCB对应到linux内核里面是一个task_struct的类型结构，它的字段包含了与一个进程相关的所有信息。下图即是一个linux进程描述符的概况：

二、创建进程

之前的博客中我们大致分析了在start_kernel中的0号和1号进程，也分析过进程的切换。在用户看来，每当他输入了一条指令，shell进程就创建了一个新进程，那么进程到底是怎么创建的呢？现在，我们来看看进程的创建。

linux系统中提供了三个系统调用可以创建新进程：clone()、fork()、vfork()。实际上，不管是我们比较熟悉的fork()还是剩下的两个在linux中都是通过clone()实现的。clone()是在c语言库中定义的一个封装函数，它负责建立进程堆栈并且调用对程序员隐藏的clone()系统调用。

进一步观察发现，linux内核中又是用do_fork()来处理这三个系统调用的。（参考博客：do_fork）

三、fork()系统调用分析

先来看看fork()函数在系统中执行过程，也就是进程是怎样创建的。

直观来看，fork产生新进程时是复制父进程资源，并给新进程分配相应的内核堆栈，然后更改一些数据。那么实际是不是这样呢？我们结合代码来分析。

通过fork()系统调用的实例，用gdb跟踪调试。体会创建新进程的过程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
    int pid;
    /* fork another process */
    pid = fork();
    if (pid < 0) 
    { 
        /* error occurred */
        fprintf(stderr,"Fork Failed!");
        exit(-1);
    } 
    else if (pid == 0) 
    {
        /* child process */
        printf("This is Child Process!\n");
    } 
    else 
    {  
        /* parent process  */
        printf("This is Parent Process!\n");
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!\n");
    }
}

执行这段代码会发现输出了两条信息，“This is Parent Process!” 和“This is Child Process!”、“Child Complete!”。为什么会出现这种情况呢？执行了else语句后又执行了else if语句。这就和fork这个函数有关了。因为fork在创建了子进程后，子进程执行了else if语句。那么fork创建子进程是从哪开始返回的呢？

我们在sys_clone()、do_fork、dup_task_struct、copy_process、copy_thread、ret_from_fork处设置断点。

单步执行，一条条语句的查看，就会发现和之前描述的基本符合。具体到内核代码来分析：当调用do_fork()时，这里的关键代码是copy_process()复制进程描述符。copy_process()创建进程描述符以及进程执行所需的所有其他数据结构。而这个函数里面有dup_task_struct()操作，为子进程获取进程描述符。还会获取一块内存区，存放新进程thread_info结构和内核栈。还有一个关键函数就是copy_thread()。用发出clone()系统调用时cpu寄存器的值来初始化进程的内核栈。

执行完do_fork()后，系统有了处于可运行态的完整子进程，但是这个子进程并没有实际运行，调度程序决定了何时运行它。比如会把esp值装入寄存器，把函数ret_from_fork()的地址放入eip中，然后返回用户态等等。在fork()系统调用结束时，新进程开始执行。返回给子进程的值是0，返回给父进程的值是子进程的PID号。

四、总结

新的进程通过复制父进程而建立。为了创建新进程，首先在系统的物理内存中为新进程创建一个 task_struct 结构，将旧进程的 task_struct 结构内容复制到其中，再修改部分数据。接着，为新进程分配新的堆栈，分配新的进程标识符 pid。然后，将这个新 task_struct 结构的地址填到 task 数组中，并调整进程链关系，插入运行队列中。于是，这个新进程便可以在下次调度时被选择执行。此时，由于父进程的进程上下文 TSS 结构复制到了子进程的 TSS 结构中，通过改变其中的部分数据，便可以使子进程的执行效果与父进程一致，都是从系统调用中退出，而且子进程将得到与父进程不同的返回值（返回父进程的是子进程的 pid，而返回子进程的是 0）。

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