Разработка ядра Linux

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.

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.

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).