Linux内核源代码分析——fork()原理多进程网络模型
?今晚和一位500強的leader喝喝小酒吃吃烤魚，生活樂無邊。這位兄弟伙才畢業(yè)2年，已經(jīng)做到管理層了，機遇和能力不可謂不好。喝酒之余，聊到Linux內核的兩個問題——fork()、exec()的原理。
??????? 兄弟伙：fork()的原理是什么呢？
??????? 我：其實一句話就概括了——copy on write。
????????兄弟伙：copy on wirte我懂，書上介紹的一抓一大把，但是沒幾本書是能說明白的。我想從你這里得到通俗的解釋。
????????我：我在《口述程序員如何意淫進程》的三篇文章里詳細介紹過進程是什么樣子的。你應該得到啟發(fā)的。
????????兄弟伙：我明白進程是什么樣子的了。但是fork()與exec()的原理還不甚明了。
????????我：從你的角度，你覺得進程需要具備哪些東西呢？
????????兄弟伙：至少具備四個東西。
????????????????????????1、task_struct結構體。這玩意兒好比是進程的身份證。（線程則沒有）
????????????????????????2、進程還必須要有一段可執(zhí)行代碼。
????????????????????????3、進程必須具備它獨立的內存空間（線程則沒有）。
??????????????????????? 4、進程必須具備獨立的內核堆棧。
?????? 我：是的。我順便補充一下。之所以必須具備內核堆棧，是因為代碼從內核態(tài)進入用戶態(tài)時（從0級切換到3級），必須保護內核態(tài)“現(xiàn)場”，使其能夠恢復。
???????兄弟伙：那fork()與這4點是什么關系呢？
???????我：理解這一點，必須分2種情況。
???????????????????????? 1、調用fork()之后立即調用exec()執(zhí)行新的程序，生成一個全新的進程。
????????????????????????? 2、調用fork()之后不調用exec()，僅僅是為將當前進程生成多個，以提升軟件并發(fā)能力——典型的是Web Server，如Apache，nginx等。
????????兄弟伙：對于第一點，有什么需要關注的嗎？
??????? 我：我們先聊第二點吧。
??????? 兄弟伙：好。
??????? 我：調用fork()之后，操作系統(tǒng)會復制一個全新的task_struct結構體，這個結構體除了id號不一樣外，其余的都完全一樣——這意味著，兩個進程的內存空間也是映射到相同的地址。
???????? 兄弟伙：這種情況應該是最簡單，也最完美的情況。
?????????我：是的。這種情況下，一般fork的進程數(shù)只要與CPU數(shù)量一致，整個server的性能就不會太差——至少不會因為context switch而變差。而且，具備一個優(yōu)點——如果每個進程都使用了IO多路復用，比如最典型的epoll，每一個進程都會因為fork而具備獨立的數(shù)據(jù)結構，這相對與多線程模型來說，實在太簡單了。
??????? 兄弟伙：啊。你不是說“兩個進程的內存空間也是映射到相同的地址”嗎？這豈不是互相矛盾？
??????? 我：這個問題提得很好。這并不矛盾。在fork時，兩個進程是共享想同的內存的。但是，當其中一個進程試圖去修改其中一個數(shù)據(jù)結構時（寫時復制），Linux內核就會產生“缺頁中斷”為該數(shù)據(jù)結構分配全新的空間。
??????? 兄弟伙：為什么Unix采用寫時復制會大幅度提升內存管理性能呢？
??????? 我：如果不采用寫時復制，那么調用fork時，就會為進程分配全新的、獨立的內存空間地址，而事實上，其中很大一部分內容可能與父進程是相同的——也就是說，大部分內存其實被重復浪費了。而采用寫時復制之后，只有當真的需要分配獨立的內存空間的時候，才會發(fā)生缺頁中斷，分配全新的內存空間，這個copy on write是基于page的，而不是基于進程的。
???????? 兄弟伙：明白了。通過代碼分析下fork()吧。
?????????我：首先，你需要明白，fork()其實做了些什么。我選一些早期的Linux內核代碼給你看看吧。fork()其實做了2步。1、找到空閑的進程號。2、從父進程拷貝進程信息。
????????? 1、
??????????
[html]?view plaincopy2、
[html]?view plaincopy??????? find_empty_process()這個函數(shù)你一看就明白了，實在太簡單。我們分析下copy_process這個函數(shù)吧。
??????? 在copy_process這個函數(shù)里，有一行比較牛逼的語句。這一句相對比較難一點，需要重點說明下。
??????? p = (struct task_struct *) get_free_page();
????????這里的新task_struct為什么會指向一個free page呢？
????????
???????? 明白了吧？
???????? task_struct結構體是按page分配的，多余的部分作為該進程的內核堆棧，從底向task_struct延伸。
???????? 之后就是對task_struct的屬性進行設置了，包括“智能”與CPU相關部分屬性。
?????????通過這部分源代碼的分析，你應該明白了吧——最初的“口述程序員如何意淫進程”這樣的吹牛B的話看似隨意，其實是理解Linux內核的基礎與根本，如果真把那些文章當成吹牛逼了，這里的源代碼分析對你來說就是天書了——如何才能輕松看懂源代碼分析？
????????? 答案是——多看幾遍吹牛逼的對話，直到你明白這其中的深意。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核源代码分析——fork()原理多进程网络模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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