程序管理3 程序建立

許多作業系統都提供了產生（spawn）程序的機制，首先在新的位址空間裡建立程序，讀入可執行檔案，最後開始執行。

unix採用了與眾不同的實現方式，它把上述步驟分解到兩個單獨的函式中去執行：fork（）和exec（）。

把這兩個函式組合起來使用和其他系統使用的單一函式效果相似。

（1）寫時拷貝

傳統的fork()會直接把所有的資源直接複製給新程序。這種實現過於簡單並且效率低下，因為拷貝的資料可能不共享，並且大多數情況下新程序都是執行exec()，那麼拷貝過來也毫無意義。

寫時拷貝技術是一種可以推遲甚至免除拷貝資料的技術。核心並不複製整個程序位址空間，而是讓父子程序共享同乙個拷貝。只有在需要寫入的時候才進行，此前都是以唯讀方式共享。

fork()的實際開銷就是複製父程序的頁表（作業系統為每乙個程序維護了乙個頁表）以及給子程序建立唯一的程序描述符。

（2）fork()

函式原型：
#includepid_t fork(void);
返回值：子程序返回0，父程序返回子程序id,出錯返回-1

由fork建立的新程序被成為子程序。fork函式被呼叫一次，但返回兩次。兩次的唯一區別是子程序的返回值是0，而父程序的返回值則是子程序的程序id。

fork()函式的核心實現原理：

clone()系統呼叫通過一系列的引數標誌來指明父子程序需要共享的資源。fork()、vfork()和_clone()庫函式都根據各自需要的引數標誌呼叫clone()，然後clone()去呼叫do_fork()。

do_fork()的定義在kernel/fork.c檔案中，該函式呼叫copy_process()函式，然後讓程序開始執行。copy_process()函式完成的工作如下：

1）呼叫dup_task_struct()為新程序建立乙個核心棧、thread_info結構和task_struct，這些值與當前程序的值相同。此時，父子程序的描述符是完全相同的。

2）檢查並確保新建立這個子程序後，當前使用者所擁有的程序數目沒有超出給它分配的資源的限制。

3）子程序著手使自己與父程序區別開來。程序描述符內許多成員都要被清0或者設為初始值。一些不是繼承而來的描述符成員，主要是統計資訊。task_struct中大多數資料依舊未被修改。

4）子程序狀態被設定為task_uninterruptible（不可中斷），以保證不會投入執行。

5）copy_process()呼叫copy_flags()以更新task_struct的flags成員。表明程序是否擁有超級使用者許可權的pf_superpriv標誌被清0。表明程序還沒有呼叫exec()函式的pf_forknoexec標誌被設定。

6）呼叫alloc_pid()為新程序分配乙個有效的pid。

7）根據傳遞給clone()的引數標誌。copy_process()拷貝或共享開啟的檔案、檔案系統資訊、訊號處理函式、程序位址空間和命名空間等。一般情況下，這些資源會被給定程序的所有執行緒共享；否則這些資源對每個程序是不同的，因此拷貝到這裡。

8）最後copy_process()做掃尾工作並返回乙個指向子程序的指標。在到do_fork()函式，如果copy_process()函式成功返回新建立的子程序被喚醒並讓其投入執行。

（3）vfork()

函式原型：
pid_t vfork(void)；

除不拷貝父程序的頁表項外，vfork()與fork()功能相同。子程序作為父程序的乙個單獨的執行緒在它的位址空間執行，父程序被阻塞，直到子程序退出或執行exec()。子程序不能向位址空間寫入。

1）在呼叫copy_process()時，task_struct的vfork_done成員會被設定為null。

2）在執行do_fork()時，如果給定特別標誌，則vfork_done會指向乙個特定位址。

3）子程序先開始執行後，父程序不是馬上恢復執行，而是一直等待，直到子程序通過vfok_done指標向它傳送訊號。

4）在呼叫mm_release()時，該函式用於程序退出記憶體位址空間，並檢查vfork_done是否為空，若果不為空，則向父程序傳送訊號。

5）回到do_fork()，父程序醒來並返回。執行成功，子程序在新的位址空間裡執行而父程序也恢復在原位址空間的執行。