深度解析Linux内核中fork工作原理和实现

      Linux内核中的fork()系统调用是用来创建新进程的核心机制。它的主要工作是为新创建的子进程复制当前进程(父进程)的数据结构和内存空间,从而产生一个几乎完全相同的副本。fork()的实现涉及到操作系统内核中许多重要部分的交互和协作,过程比较复杂。

fork()的基本原理

      当一个进程调用fork()时,内核会为新创建的子进程分配必要的资源,如进程控制块(task_struct)、内存空间等。然后,内核会将当前进程的数据(代码段、数据段、堆、栈等)复制到新进程中,使得父子进程之间存在相同的内存映像。在复制结束后,内核会为子进程创建新的独立执行环境,并决定父子进程谁先获得CPU执行权。

需要注意的是,为了提高效率,Linux采用了写时复制(Copy-on-Write,COW)技术。真正的复制工作并不是在fork()时进行,而是延迟到父子进程中有一方第一次试图修改某个内存页时才执行。这个技术避免了大量不必要的数据复制,从而提高了fork()的性能。

进程的关键数据结构

      理解fork()的实现,需要先了解Linux进程相关的重要数据结构，下图描述的是进程相关的主要数据结构。