Linux内核14-clone()、fork()和vfork()的区别

Tupelo

发布于 2022-08-15 15:46:28

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发布于 2022-08-15 15:46:28

文章被收录于专栏：嵌入式ARM和Linux

在分析这三个系统调用之前，先来理解一下进程的4要素:

执行代码每个进程或者线程都要有自己的执行代码，不论是独立的，还是共享的一段代码。
私有堆栈空间进程具有自己独立的堆栈空间，但是对于线程来说它是共享的。
进程控制块（task_struct）不论是进程还是线程，都有自己的task_struct。Linux对于线程的实现采用”轻进程”。
有独立的内存空间线程具有独立的内存空间，而线程共享内存空间。

Linux内核用于创建进程的系统调用有3个，它们的实现分别为：fork、vfork、clone。它们的作用如下表所示：

调用	描述
clone	创建轻量级进程（也就是线程），pthread库基于此实现
vfork	父子进程共享资源，子进程先于父进程执行
fork	创建父进程的完整副本

下面我们来看一下3个函数的区别：

1. clone()

创建轻量级进程，其拥有的参数是：

fn 指定新进程执行的函数。当从函数返回时，子进程终止。函数返回一个退出码，表明子进程的退出状态。
arg 指向fn()函数的参数。
flags 一些标志位，低字节是表示当子进程终止时发送给父进程的信号，通常是SIGCHLD信号。其余的3个字节是一组标志，如下表所示：名称描述CLONE_VM共享内存描述符和所有的页表CLONE_FS共享文件系统CLONE_FILES共享打开的文件CLONE_SIGHAND共享信号处理函数，阻塞和挂起的信号等CLONE_PTRACEdebug用，父进程被追踪，子进程也追踪CLONE_VFORK父进程挂起，直到子进程释放虚拟内存资源CLONE_PARENT设置子进程的父进程是调用者的父进程，也就是创建兄弟进程CLONE_THREAD共享线程组，设置相应的线程组数据CLONE_NEWNS设置自己的命令空间，也就是有独立的文件系统CLONE_SYSVSEM共享System V IPC可撤销信号量操作CLONE_SETTLS为轻量级进程创建新的TLS段CLONE_PARENT_SETTID写子进程PID到父进程的用户态变量中CLONE_CHILD_CLEARTID设置时，当子进程exit或者exec时，给父进程发送信号
child_stack 指定子进程的用户态栈指针，存储在子进程的esp寄存器中。父进程总是给子进程分配一个新的栈。
tls 指向为轻量级进程定义的TLS段数据结构的地址。只有CLONE_SETTLS标志设置了才有意义。
ptid 指定父进程的用户态变量地址，用来保存新建轻量级进程的PID。只有CLONE_PARENT_SETTID标志设置了才有意义。
ctid 指定新进程保存PID的用户态变量的地址。只有CLONE_CHILD_SETTID标志设置了才有意义。

clone()其实是一个C库中的封装函数，它建立新进程的栈并调用sys_clone()系统调用。sys_clone()系统调用没有参数fn和arg。事实上，clone()把fn函数的指针保存到子进程的栈中return地址处，指针arg紧随其后。当clone()函数终止时，CPU从栈上获取return地址并执行fn(arg)函数。

下面我们看一个C代码示例，看看clone()函数的使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <linux/sched.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define FIBER_STACK 8192

int a;
void *stack;

int do_something()
{
    printf("This is the son, and my pid is:%d,
        and a = %d\n", getpid(), ++a);
    free(stack);
    exit(1);
}

int main()
{
    void * stack;
    a = 1;

    /* 为子进程申请系统堆栈 */
    stack = malloc(FIBER_STACK);

    if(!stack)
    {
        printf("The stack failed\n");
        exit(0);
    }
    printf("Creating son thread!!!\n");

    clone(&do_something, (char *)stack + FIBER_STACK, CLONE_VM|CLONE_VFORK, 0);//创建子线程
    printf("This is the father, and my pid is: %d, and a = %d\n", getpid(), a);

    exit(1);
}

上面的代码就相当于实现了一个vfork()，只有子进程执行完并释放虚拟内存资源后，父进程执行。执行结果是：

Creating son thread!!!
This is the son, and my pid is:3733, and a = 2
This is the father, and my pid is: 3732, and a = 2

它们现在共享堆栈，所以a的值是相等的。

2. fork()

linux将fork实现为这样的clone()系统调用，其flags参数指定为SIGCHLD信号并清除所有clone标志，child_stack参数是当前父进程栈的指针。父进程和子进程暂时共享相同的用户态堆栈。然后采用 写时复制技术，不管是父进程还是子进程，在尝试修改堆栈时，立即获得刚才共享的用户态堆栈的一个副本。也就是成为了一个单独的进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int count = 1;
    int child;

    child = fork();
    if(child < 0){
        perror("fork error : ");
    }
    else if(child == 0){    // child process
        printf("This is son, his count is: %d (%p). and his pid is: %d\n",
                ++count, &count, getpid());
    }
    else{                   // parent process
        printf("This is father, his count is: %d (%p), his pid is: %d\n",
                count, &count, getpid());
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

上面代码的执行结果：

This is father, his count is: 1 (0xbfdbb384), his pid is: 3994
This is son, his count is: 2 (0xbfdbb384). and his pid is: 3995

可以看出，父子进程的PID是不一样的，而且堆栈也是独立的（count计数一个是1，一个是2）。

3. vfork()

将vfork实现为这样的clone()系统调用，flags参数指定为SIGCHLD|CLONE_VM|CLONE_VFORK信号，child_stack参数等于当前父进程栈指针。

vfork其实是一种过时的应用，vfork也是创建一个子进程，但是子进程共享父进程的空间。在vfork创建子进程之后，阻塞父进程，直到子进程执行了exec()或exit()。vfork最初是因为fork没有实现COW机制，而在很多情况下fork之后会紧接着执行exec，而exec的执行相当于之前的fork复制的空间全部变成了无用功，所以设计了vfork。而现在fork使用了COW机制，唯一的代价仅仅是复制父进程页表的代价，所以vfork不应该出现在新的代码之中。

实际上，vfork创建的是一个线程，与父进程共享内存和堆栈空间：

我们看下面的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int count = 1;
    int child;
    printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count);
    if(!(child = vfork())) {
        printf("This is son, his pid is: %d and the count is: %d\n",
                getpid(), ++count);
        exit(1);
    }
    else {
        printf("This is father, pid is: %d and count is: %d\n",
                getpid(), count);
    }
}

执行结果为：

Before create son, the father's count is:1
This is son, his pid is: 3564 and the count is: 2
This is father, pid is: 3563 and count is: 2

从运行结果看，vfork创建的子进程（线程）共享了父进程的count变量，所以，子进程修改count，父进程的count值也改变了。

另外由vfork创建的子进程要先于父进程执行，子进程执行时，父进程处于挂起状态，子进程执行完，唤醒父进程。除非子进程exit或者execve才会唤起父进程，看下面程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int count = 1;
    int child;
    printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count);
    if(!(child = vfork())) {

        int i;
        for(i = 0; i < 100; i++)
        {
            printf("Child process & i = %d\n", i);
            count++;
            if(i == 20)
            {
                printf("Child process & pid = %d;count = %d\n",
                        getpid(), ++count);
                exit(1);
            }
        }
    }
    else {
        printf("Father process & pid = %d ;count = %d\n",
                getpid(), count);
    }
}

执行结果为：

Before create son, the father's count is:1
Child process & i = 0
Child process & i = 1
Child process & i = 2
Child process & i = 3
Child process & i = 4
Child process & i = 5
Child process & i = 6
Child process & i = 7
Child process & i = 8
Child process & i = 9
Child process & i = 10
Child process & i = 11
Child process & i = 12
Child process & i = 13
Child process & i = 14
Child process & i = 15
Child process & i = 16
Child process & i = 17
Child process & i = 18
Child process & i = 19
Child process & i = 20
Child process & pid = 3755;count = 23
Father process & pid = 3754 ;count = 23

从上面的结果可以看出，父进程总是等子进程执行完毕后才开始继续执行。

总结

clone、vfork和fork是根据不同的需求而开发的。
- clone 参数比较多，可以实现的控制就比较多，clone的设计初衷是给pthread线程库的开发提供支持的。其实用它也完全可以实现另外两种系统调用。
- vfork是一个过时的系统调用，当时是因为写时复制（COW）技术还没有。所以才设计了这个子进程先于父进程的执行的创建进程的系统调用。
- fork就是一个创建完整进程的调用。
clone、vfork和fork在内核层都是调用的_do_fork()这个函数。

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原始发表：2020-03-14，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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