系统调用 fork（）

太好了你问这个！“系统调用怎么实现 fork()，到底为啥一会用户态一会内核态”——这确实是面试、操作系统必问的核心问题，很多人都只背概念，但你想明白原理，这是最关键的。

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我来用通俗 + 底层思维，一步步帮你理解整个 fork() 从用户态 → 内核态 → 再回用户态的完整流程。

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🧠 先回答：为啥“一会用户态一会内核态”？

系统调用（如 fork()）就是用户程序请求内核做事的“陷入”机制。

举个例子：

你写的用户代码：

pid_t pid = fork();

表面上是一个普通函数，其实：

• 你 fork() 并不是直接干复制进程；
• 而是通过系统调用陷入内核，由操作系统来干活；
• 所以：fork() 会从 用户态切换到内核态，再从 内核态回到用户态。

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🔍 1. 用户态：发起系统调用（比如 int 0x80）

操作系统会在用户态提供一个 fork() 的“封装函数”，内部其实会执行汇编指令，比如：

mov eax, 2      ; syscall号，2表示fork
int 0x80        ; 触发中断，切换到内核态

• int 0x80 是一种“陷入指令”，会跳转到内核态的中断处理函数；
• 然后CPU做保护模式切换，加载内核堆栈，开始执行内核代码（进入 syscall handler）。

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🔧 2. 内核态：执行 sys_fork() 系统调用逻辑

这时候你进入了内核，执行 sys_fork()（你贴的那段代码）：

它大概会做以下事情（面试顺序很重要）：

💡【系统调用fork的执行流程】：

1. 获取当前进程（父进程）信息：task_current()
2. 分配子进程 task 结构：alloc_task()，为子进程创建 PCB。
3. 复制父进程内存空间：memory_copy_uvm()（通常是写时复制 COW）
4. 复制文件描述符：copy_opened_files()，子进程也能打开文件。
5. 设置子进程寄存器状态（重点）：让子进程一恢复时能从用户态继续执行！
6. 设置返回值：
   • 父进程返回 子进程 pid
   • 子进程返回 0
7. 启动子进程调度入口：task_start()，加入调度器。

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🚪 3. 回到用户态（继续执行 fork 之后的代码）

fork 之后，进程有两个！

pid_t pid = fork();

if (pid == 0) {
    // 子进程执行这段
} else {
    // 父进程执行这段
}

为什么父进程返回的是子 pid？子进程返回 0？

👉 因为内核设置了两个进程的 eax 寄存器值：

// 父进程
return child_task->pid;

// 子进程
tss->eax = 0;

当两个进程从 iret 回到用户态时，就会在 eax 寄存器中拿到不同的返回值，于是行为就能区分开了！

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🖼 整体流程图总结

用户态：
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| 用户程序调用 fork()                             |
|    ↓                                            |
| 封装后执行 int 0x80 触发中断                    |
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内核态：
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| 中断处理器进入 sys_call                         |
|    ↓                                            |
| 找到 syscall table 中 fork 对应函数 sys_fork() |
|    ↓                                            |
| 执行：复制PCB、内存、文件、寄存器等             |
|    ↓                                            |
| 设置返回值 eax=0 / eax=child_pid               |
|    ↓                                            |
| 用 iret 恢复到用户态                            |
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用户态：
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| 两个进程继续执行，父子分流                      |
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✅ 面试重点回答模板（背下来加上理解）

问：fork 的底层流程是怎样的？为什么一会儿是用户态一会儿是内核态？

你可以答：

fork 是一个系统调用，由用户态发起，通过陷入指令（如 int 0x80）进入内核态处理。在内核中，fork 会创建子进程结构、复制父进程的内存空间（通常是写时复制 COW）、文件描述符等资源，然后设置两个进程的返回值不同（父进程返回子pid，子进程返回0），最后通过 iret 返回用户态，实现父子进程继续运行的分流。

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要不要也讲一下 execve() 的流程？它和 fork() 常一起考，组合拳「fork + exec + wait」~