問答專欄Q & A COLUMN
謝邀。
我之前兩節(jié)文章簡要地從C語言源代碼層面討論了Linux系統(tǒng)中進(jìn)程的基本概念，我們知道了Linux內(nèi)核如何描述和記錄進(jìn)程的資源，以及進(jìn)程的五種基本狀態(tài)和進(jìn)程的家族樹。事實(shí)上，就進(jìn)程管理而言，Linux還是有一些獨(dú)特之處的。
許多操作系統(tǒng)都提供了專門的進(jìn)程產(chǎn)生機(jī)制，比較典型的過程是：首先在內(nèi)存新的地址空間里創(chuàng)建進(jìn)程，然后讀取可執(zhí)行程序，裝載到內(nèi)存中執(zhí)行。
Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建線程并未使用上述經(jīng)典過程，而是將創(chuàng)建過程拆分到兩組獨(dú)立的函數(shù)中執(zhí)行：fork() 函數(shù)和 exec() 函數(shù)族。
基本流程是這樣的：首先，fork() 函數(shù)拷貝當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程。產(chǎn)生的子進(jìn)程與父進(jìn)程的區(qū)別僅在與 PID 與 PPID 以及某些資源和統(tǒng)計量，例如掛起的信號等。準(zhǔn)備好進(jìn)程運(yùn)行的地址空間后，exec() 函數(shù)族負(fù)責(zé)讀取可執(zhí)行程序，并將其加載到相應(yīng)的位置開始執(zhí)行。
Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程使用的這兩組函數(shù)效果與其他操作系統(tǒng)的經(jīng)典進(jìn)程創(chuàng)建方式效果是相似的，可能有讀者會覺得這么做會讓進(jìn)程創(chuàng)建過于繁瑣，其實(shí)不是的，Linux 這么做的其中一個原因是為了提高代碼的復(fù)用率，這得益于 Linux 高度概括的抽象，無需再額外設(shè)計一套機(jī)制用于創(chuàng)建進(jìn)程。
早期 Linux 中的 fork() 函數(shù)直接把父進(jìn)程的所有資源賦值給創(chuàng)建出的子進(jìn)程，這樣的機(jī)制自然是簡單的，但是效率卻比較低下。
原因是顯而易見的：子進(jìn)程并不一定要使用父進(jìn)程的資源，或者子進(jìn)程可能僅需以只讀的方式訪問父進(jìn)程的資源，這時“拷貝一份資源”就純屬多余的開銷了。
針對這樣的問題，Linux 后續(xù)版本中的 fork() 函數(shù)開始采用“寫時拷貝”機(jī)制。寫時拷貝技術(shù)可以將拷貝需求延遲，甚至免除拷貝，減小開銷。
具體來說就是，Linux 在調(diào)用 fork() 創(chuàng)建子進(jìn)程時，并不著急拷貝整個進(jìn)程地址空間，而是暫時讓父子進(jìn)程以只讀的方式共享同一個拷貝。拷貝動作只在子進(jìn)程需要寫入時才會發(fā)生，以確保各個進(jìn)程有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間。
如果子進(jìn)程用不到或者只需要讀取共享空間數(shù)據(jù)，那么拷貝動作就被省去了，Linux 就減小了開銷。例如，系統(tǒng)調(diào)用 fork() 后立即調(diào)用 exec()，此時 exec() 會加載新的映像覆蓋 fork() 的地址空間，拷貝動作完全可以省去。
事實(shí)上，fork() 函數(shù)的實(shí)際開銷就是復(fù)制父進(jìn)程的頁表以及給子進(jìn)程創(chuàng)建唯一的進(jìn)程描述符。在大多數(shù)情況下，Linux 創(chuàng)建進(jìn)程后都會馬上運(yùn)行新的可執(zhí)行程序，因此“寫時拷貝”機(jī)制可以避免相當(dāng)多的數(shù)據(jù)拷貝。創(chuàng)建進(jìn)程速度快是 Linux 系統(tǒng)的一個特征，因此“寫時拷貝”是一種相當(dāng)重要的優(yōu)化。
創(chuàng)建進(jìn)程時，內(nèi)存地址空間里常常包含數(shù)十 MB 的數(shù)據(jù)，如果每創(chuàng)建一次進(jìn)程，就拷貝一次數(shù)據(jù)，開銷顯然是非常大的。
Linux 中的 fork() 函數(shù)其實(shí)是基于 clone() 實(shí)現(xiàn)的，clone() 函數(shù)可以通過一系列參數(shù)標(biāo)志指定父子進(jìn)程需要共享的資源，在 Linux 中輸入 man 命令可以查看 clone() 函數(shù)的C語言原型，以及相關(guān)的參數(shù)標(biāo)志：在Linux中，fork() 函數(shù)最終調(diào)用了 do_fork() 函數(shù)，它的C語言代碼如下，請看（do_fork() 函數(shù)的C語言代碼比較長，下面面只列出了一部分）：
do_fork() 函數(shù)完成了進(jìn)程創(chuàng)建的大部分工作，從相關(guān)的C語言源代碼可以看出，它調(diào)用了 copy_process() 函數(shù)，copy_process() 函數(shù)的C語言源代碼如下，請看：copy_process() 函數(shù)的代碼也是比較長的，在我手上的Linux系統(tǒng)中，達(dá)到了近 400 行，不過代碼的整體邏輯是清晰的：
（1）copy_process() 函數(shù)首先檢查了一些標(biāo)志位，接著調(diào)用 dup_task_struct() 函數(shù)為新進(jìn)程創(chuàng)建內(nèi)核棧，以及上一節(jié)提到的 thread_info 和 task_struct 結(jié)構(gòu)：
創(chuàng)建后，接下來的 arch_dup_task_struct() 函數(shù)會將 orig 結(jié)構(gòu)拷貝給新創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)，查看相關(guān)C語言代碼，這一過程是清晰的：此時子進(jìn)程和父進(jìn)程的描述符是完全相同的。
（2）接下來，需要檢查一些標(biāo)志位和統(tǒng)計信息，相關(guān)的C語言代碼如下，請看：
（3）將一些統(tǒng)計量清零，以及初始化一些區(qū)別成員，此時雖然新進(jìn)程的 task_struct 結(jié)構(gòu)體大多成員未被修改，但是父子進(jìn)程已經(jīng)有所區(qū)別。這一過程的相關(guān)C語言代碼片段如下，請看：
（4）將新創(chuàng)建的子進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為 TASK_UNINTERRUUPTIBLE，確保其暫時不會被投入運(yùn)行，這一過程的C語言代碼相對簡單。（5）調(diào)用 alloc_pid() 函數(shù)為新進(jìn)程分配一個獨(dú)一無二的 pid，相關(guān)C語言代碼如下，請看：
（6）根據(jù) clone() 函數(shù)的參數(shù)標(biāo)志位，拷貝或共享已經(jīng)打開的文件、文件系統(tǒng)、信號處理函數(shù)、進(jìn)程地址空間等資源，例如下面這段C語言代碼：（7）將為新進(jìn)程創(chuàng)建的 task_struct 結(jié)構(gòu)體的指針返回給調(diào)用者，也即 do_fork() 函數(shù)。此時新創(chuàng)建的進(jìn)程還沒有被投入運(yùn)行。
現(xiàn)在回到 do_fork() 函數(shù)。如果調(diào)用 clone() 函數(shù)時，沒有傳遞 CLONE_STOPPED 參數(shù)，新創(chuàng)建的進(jìn)程將被喚醒，并投入運(yùn)行，這一過程的C語言代碼如下：到這里，一個新的進(jìn)程就被 Linux 創(chuàng)建完畢了。
Linux 內(nèi)核有意讓新創(chuàng)建的子進(jìn)程先運(yùn)行，因?yàn)樽舆M(jìn)程常常會立即調(diào)用 exec() 函數(shù)加載新的程序到內(nèi)存中運(yùn)行，這樣就避免了寫時拷貝的額外開銷。如果父進(jìn)程首先執(zhí)行，顯然極有可能開始往地址空間寫入操作，導(dǎo)致拷貝動作發(fā)生。
本節(jié)詳細(xì)的從C語言代碼層面分析了Linux內(nèi)核創(chuàng)建進(jìn)程的過程，可見，即使是復(fù)雜的操作系統(tǒng)代碼，也是通過一系列基本C語言語法和函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。那么，Linux 是如何創(chuàng)建線程的呢？之前我們曾經(jīng)提到，Linux 系統(tǒng)并不特別區(qū)分進(jìn)程和線程，線程其實(shí)是一種特殊的進(jìn)程，Linux 是如何實(shí)現(xiàn)這一“特殊”過程的呢？敬請關(guān)注。
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這跟execvp函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)：
int execvp(const char *file ,char * const argv []);
execvp()會從PATH 環(huán)境變量所指的目錄中查找符合參數(shù)file的文件名，找到后便執(zhí)行該文件，然后將第二個參數(shù)argv傳給該欲執(zhí)行的文件。如果執(zhí)行成功則函數(shù)不會返回，執(zhí)行失敗則直接返回-1，失敗原因存于errno中。
之所以顯示“fail to exec”，是因?yàn)樵赑ATH環(huán)境變量所指的目錄中沒有名為“hello”的程序。建議進(jìn)行如下操作：
1、運(yùn)行“echo $PATH”，查看一下PATH環(huán)境變量指向那些目錄
2、編寫一個輸出“hello world”的程序，并命名為hello，即執(zhí)行命令：
gcc -o hello
hello.c
3、把名為”hello“的程序拷貝到PATH變量所指的其中一個目錄中
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