關(guān)于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的

本文是關(guān)于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或許已經(jīng)知道，也有人還不知道。幾年前當我了解到這些時，我驚嘆不已。

我們要做的是啟動一個進程。我們已經(jīng)在博客上討論了很多關(guān)于系統(tǒng)調(diào)用的問題，每當你啟動一個進程或者打開一個文件，這都是一個系統(tǒng)調(diào)用。所以你可能會認為有這樣的系統(tǒng)調(diào)用：

start_process(["ls","-l","my_cool_directory"])

這是一個合理的想法，顯然這是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想說的是，這并不是 Linux 上的工作原理。但是，我查閱了文檔，確實有一個 posix_spawn 的系統(tǒng)調(diào)用基本上是這樣做的，不過這不在本文的討論范圍內(nèi)。

fork 和 exec

Linux 上的 posix_spawn 是通過兩個系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的，分別是 fork 和 exec(實際上是 execve)，這些都是人們常常使用的。盡管在 OS X 上，人們使用 posix_spawn，而 fork 和 exec 是不提倡的，但我們將討論的是 Linux。

Linux 中的每個進程都存在于“進程樹”中。你可以通過運行 pstree 命令查看進程樹。樹的根是 init，進程號是 1。每個進程(init 除外)都有一個父進程，一個進程都可以有很多子進程。

所以，假設(shè)我要啟動一個名為 ls 的進程來列出一個目錄。我是不是只要發(fā)起一個進程 ls 就好了呢?不是的。

我要做的是，創(chuàng)建一個子進程，這個子進程是我(me)本身的一個克隆，然后這個子進程的“腦子”被吃掉了，變成 ls。

開始是這樣的：

my parent

|- me

然后運行 fork()，生成一個子進程，是我(me)自己的一份克?。?/p>

my parent

|- me

|-- cloneof me

然后我讓該子進程運行 exec("ls")，變成這樣：

my parent

|- me

|-- ls

當 ls 命令結(jié)束后，我?guī)缀跤肿兓亓宋易约海?/p>

my parent

|- me

|-- ls(zombie)

在這時 ls 其實是一個僵尸進程。這意味著它已經(jīng)死了，但它還在等我，以防我需要檢查它的返回值(使用 wait 系統(tǒng)調(diào)用)。一旦我獲得了它的返回值，我將再次恢復(fù)獨自一人的狀態(tài)。

my parent

|- me

fork 和 exec 的代碼實現(xiàn)

如果你要編寫一個 shell，這是你必須做的一個練習。

事實證明，有了 C 或 Python 的技能，你可以在幾個小時內(nèi)編寫一個非常簡單的 shell，像 bash 一樣。(至少如果你旁邊能有個人多少懂一點，如果沒有的話用時會久一點。)我已經(jīng)完成啦，真的很棒。

這就是 fork 和 exec 在程序中的實現(xiàn)。我寫了一段 C 的偽代碼。請記住，fork 也可能會失敗哦。

intpid = fork();

// 我要分身啦

// “我”是誰呢?可能是子進程也可能是父進程

if(pid == 0){

// 我現(xiàn)在是子進程

// “ls” 吃掉了我腦子，然后變成一個完全不一樣的進程

exec(["ls"])

}elseif(pid == -1){

// 天啊，fork 失敗了，簡直是災(zāi)難!

}else{

// 我是父進程耶

// 繼續(xù)做一個酷酷的美男子吧

// 需要的話，我可以等待子進程結(jié)束

}

上文提到的“腦子被吃掉”是什么意思呢?

進程有很多屬性：

打開的文件(包括打開的網(wǎng)絡(luò)連接)

環(huán)境變量

信號處理程序(在程序上運行 Ctrl + C 時會發(fā)生什么?)

內(nèi)存(你的“地址空間”)

寄存器

可執(zhí)行文件(/proc/$pid/exe)

cgroups 和命名空間(與 Linux 容器相關(guān))

當前的工作目錄

運行程序的用戶

其他我還沒想到的

當你運行 execve 并讓另一個程序吃掉你的腦子的時候，實際上幾乎所有東西都是相同的! 你們有相同的環(huán)境變量、信號處理程序和打開的文件等等。

唯一改變的是，內(nèi)存、寄存器以及正在運行的程序，這可是件大事。

為何 fork 并非那么耗費資源(寫入時復(fù)制)

你可能會問：“如果我有一個使用了 2GB 內(nèi)存的進程，這是否意味著每次我啟動一個子進程，所有 2 GB 的內(nèi)存都要被復(fù)制一次?這聽起來要耗費很多資源!”

事實上，Linux 為 fork() 調(diào)用實現(xiàn)了寫時復(fù)制copy on write，對于新進程的 2GB 內(nèi)存來說，就像是“看看舊的進程就好了，是一樣的!”。然后，當如果任一進程試圖寫入內(nèi)存，此時系統(tǒng)才真正地復(fù)制一個內(nèi)存的副本給該進程。如果兩個進程的內(nèi)存是相同的，就不需要復(fù)制了。

為什么你需要知道這么多

你可能會說，好吧，這些細節(jié)聽起來很厲害，但為什么這么重要?關(guān)于信號處理程序或環(huán)境變量的細節(jié)會被繼承嗎?這對我的日常編程有什么實際影響呢?

有可能哦!比如說，在 Kamal 的博客上有一個很有意思的 bug。它討論了 Python 如何使信號處理程序忽略了 SIGPIPE。也就是說，如果你從 Python 里運行一個程序，默認情況下它會忽略 SIGPIPE!這意味著，程序從 Python 腳本和從 shell 啟動的表現(xiàn)會有所不同。在這種情況下，它會造成一個奇怪的問題。

所以，你的程序的環(huán)境(環(huán)境變量、信號處理程序等)可能很重要，都是從父進程繼承來的。知道這些，在調(diào)試時是很有用的。