Основную массу работы по разветвлению процесса выполняет функция
do_fork
, которая определена в файле
kernel/fork.c
. Эта функция, в свою очередь, вызывает функцию
copy_process
и запускает новый процесс на выполнение. Ниже описана та интересная работа, которую выполняет функция
copy_process
.
• Вызывается функция
dup_task_struct
, которая создает стек ядра, структуры
thread_info
и
task_struct
для нового процесса, причем все значения указанных структур данных идентичны для порождающего и порожденного процессов. На этом этапе дескрипторы родительского и порожденного процессов идентичны.
• Проверяется,
не произойдет ли при создании нового процесса переполнение лимита на количество процессов для данного пользователя.
• Теперь необходимо сделать порожденный процесс отличным от родительского. При этом различные поля дескриптора порожденного процесса очищаются или устанавливаются в начальные значения. Большое количество данных дескриптора процесса является совместно используемым.
• Далее состояние порожденного процесса устанавливается в значение
TASK_UNINTERRUPTIBLE
, чтобы гарантировать, что порожденный процесс не будет выполняться.
• Из функции
copy_process
вызывается функция
copy_flags
, которая обновляет значение поля
flags
структуры
task struct
. При этом сбрасывается флаг
PF_SUPERPRIV
, который определяет, имеет ли процесс права суперпользователя. Флаг
PF_FORKNOEXEC
, который указывает на то, что процесс не вызвал функцию
exec
, — устанавливается.
• Вызывается функция
get_pid
, которая назначает новое значение идентификатора
PID
для новой задачи.
• В зависимости от значений флагов, переданных в функцию
clone
, осуществляется копирование или совместное использование открытых файлов, информации о файловой системе, обработчиков сигналов, адресного пространства процесса и пространства имен (namespace). Обычно эти ресурсы совместно используются потоками одного процесса. В противном случае они будут уникальными и будут копироваться на этом этапе.
• Происходит разделение оставшейся части кванта времени между родительским и порожденным процессами (это более подробно обсуждается в главе 4, "Планирование выполнения процессов").
• Наконец, происходит окончательная зачистка структур данных и возвращается указатель на новый порожденный процесс.
Далее происходит возврат в функцию
do_fork
. Если возврат из функции
copy_process
происходит успешно, то новый порожденный процесс возобновляет выполнение. Порожденный процесс намеренно запускается на выполнение раньше родительского [16] .
В обычной ситуации, когда порожденный процесс сразу же вызывает функцию
exec
, это позволяет избежать накладных расходов, связанных с тем, что если родительский процесс начинает выполняться первым, то он будет ожидать возможности записи в адресное пространство посредством механизма копирования при записи.
16
В действительности сейчас это работает не так, как хотелось бы, однако усилия прилагаются к тому, чтобы порожденный процесс запускался на выполнение первым.
Функция
vfork
Системный вызов
vfork
позволяет получить тот же эффект, что и системный вызов
fork
, за исключением того, что записи таблиц страниц родительского процесса не копируются. Вместо этого порожденный процесс запускается как отдельный поток в адресном пространстве родительского процесса и родительский процесс блокируется до того момента, пока порожденный процесс не вызовет функцию
exec
или не завершится. Порожденному процессу запрещена запись в адресное пространство. Такая оптимизация была желанной в старые времена 3BSD, когда реализация системного вызова
fork
не базировалась на технике копирования страниц памяти при записи.
Сегодня, при использовании техники копирования страниц памяти при записи и запуске порожденного процесса перед родительским, единственное преимущество вызова
vfork
— это отсутствие копирования таблиц страниц родительского процесса. Если когда-нибудь в операционной системе Linux будет реализовано копирование полей таблиц страниц при записи [17] , то вообще не останется никаких преимуществ. Поскольку семантика функции
vfork
достаточно ненадежна (что, например, будет, если вызов
exec
завершится неудачно?), то было бы здорово, если бы системный вызов
vfork
умер медленной и мучительной смертью. Вполне можно реализовать системный вызов
vfork
через обычный вызов
fork
, что действительно имело место в ядрах Linux до версии 2.2.
17
В действительности уже сейчас есть заплаты для добавления такой функции в ОС Linux. Хотя, скорее всего, возможность совместного использования таблиц страниц в ядрах серии 2.6 реализована не будет, такая возможность может появиться в будущих версиях.
Сейчас системный вызов
vfork
реализован через специальный флаг в системном вызове
clone
, как показано ниже.
• При выполнении функции
copy_process
поле
vfork_done
структуры
task_struct
устанавливается в значение
NULL
.
• При выполнении функции
do_fvork
, если соответствующий флаг установлен, поле
vfork_done
устанавливается в ненулевое значение (начинает указывать на определенный адрес).
• После того как порожденный процесс в первый раз запущен, родительский процесс, вместо того чтобы возвратиться из функции
copy_process
к выполнению, начинает ожидать, пока порожденный процесс не подаст ему сигнал через указатель
vfork_done
.
• При выполнении порожденным процессом функции
mm_release
(которая вызывается, когда задание заканчивает работу со своим адресным пространством), если значение поля
vfork_done
не равно
NULL
, родительский процесс получает указанный выше сигнал.
• При возврате в функцию
do_fork
родительский процесс возобновляет выполнение и выходит из этой функции.
Если все прошло так, как запланировано, то теперь порожденный процесс выполняется в новом адресном пространстве, а родительский процесс — в первоначальном адресном пространстве. Накладные расходы меньше, но реализация не очень привлекательна.
Реализация потоков в ядре Linux
Многопоточность — это популярная сегодня программная абстракция. Она обеспечивает выполнение нескольких потоков в совместно используемом адресном пространстве памяти. Потоки также могут совместно использовать открытые файлы и другие ресурсы. Многопоточность используется для параллельного программирования (concurrent programming), что на многопроцессорных системах обеспечивает истинный параллелизм.
Реализация потоков в операционной системе Linux уникальна. Для ядра Linux не существует отдельной концепции потоков. В ядре Linux потоки реализованы так же, как и обычные процессы. В ОС Linux нет никакой особенной семантики для планирования выполнения потоков или каких-либо особенных структур данных для представления потоков. Поток— это просто процесс, который использует некоторые ресурсы совместно с другими процессами. Каждый поток имеет структуру
task_struct
и представляется для ядра обычным процессом (который совместно использует ресурсы, такие как адресное пространство, с другими процессами).