9.fork 的应用

系统调用 👉 libc 👉 shell 👉 应用的“软件栈”

能不能用系统调用实现比普通业务逻辑代码更有趣的东西？

如何把操作系统玩出花来？😂

fork 行为的补充解释

要讲 fork 就要讲操作系统。操作系统是个大的状态机，大的状态机里可以分组，比如说一个程序又是一个状态机，当然操作系统内部也有自己的状态，比如说操作系统的对象，程序可以用文件描述符指向对象。

操作系统自己的代码不执行时(一般情况)，会直接把一个程序放到CPU上执行，这个程序如果执行 syscall 时，比如 fork 时，那么操作系统会相应的更新操作系统的状态。即执行 fork 的程序的状态机完整的复制一份，除了 fork 的返回值不同。父进程返回子进程的 pid，子进程返回 0 。

前面都是讲代码，现在反过来想的时候，还有一些有意思的小东西。比如说如果原进程持有一个操作系统的对象，比如 fd=0(stdin)，那么 fork 以后，子进程同样持有指向同一个操作系统对象的文件描述符，这里面做了一个拷贝，像指针的赋值一样。文件描述符就是个整数 int fd; 操作系统的对象只有一个，两个进程指向了同一个。

我们在 execve 的时候，重置了一个状态机。比如执行 execve("echo"); ，这个进程就重置为了 echo 的初始状态。如果在重置前，持有 fd=0 那么时保持的。这个设计，使得在 fork + execve 运行新程序前，可以打开一个管道，这样父子进程都持有指向管道的文件描述符，然后就可以把一部分计算的输出管道给另外一部分计算的输入。

当我们有了文件描述符以后，就有了一点小麻烦。

文件描述符通过这个函数来得到

int open(const char *pathname, int flags);

比如说 open("a.txt"); 这个 a.txt 是操作系统里的一个对象。这时候就会有一个新的文件描述符比如说 fd=3 指向这个 a.txt 对应的对象。

文件描述符是一个指向操作系统内对象的 “指针”，我们只能用操作系统允许的方式来访问

对象只能通过操作系统允许的方式访问
- 从 0 开始编号 (0, 1, 2 分别是 stdin, stdout, stderr)
- 可以通过 open 取得；close 释放；dup “复制”
- 对于数据文件，文件描述符会 “记住” 上次访问文件的位置
  - write(3, "a", 1); write(3, "b", 1);

对于这个特性，

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    fd = open("a.txt", O_WRONLY | O_CREAT);
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        write(fd, "Hello");
    } else {
        write(fd, "World");
    }
}

这段代码，会得到什么呢？父进程写入 world 子进程写入 hello。会覆盖吗？

write 的内在含义就是一直往后写。因此不覆盖才是合理的。从这里，操作系统开始变复杂了。有了偏移量以后操作系统如何管理呢？

复杂性的来源：东西越来越多，设计者还为了保持向前的兼容。好多看起来奇怪的问题都是由历史遗留问题造成的。

前面是对fork的一点补充。

一点点关于 fork 的实现问题。

写时复制

概念上 fork 就是创建了一个进程的副本，但这件事情代价很大，复制一个状态机包括里面的数据。此外类似的情况，操作系统里 malloc(1GB) 这个事情也是允许的。如果进程 fork 了复制了以后又 execve 了，那岂不是前面白复制了，数据也没用上就丢掉了。有没有可能给一个高性能的实现呢？

操作系统如何应对这个问题？

copy-on-write

进程是有地址空间的。pmap看到的就是，操作系统实现虚拟地址的时候用了分页，用了 MMU，实际上进程的每个页面，

进程只是个映射表，内存页面是操作系统的，概念上的状态机，实现上，所有进程的页面属于操作系统，操作系统做了偷梁换柱，有个CR3寄存器，做了个地址翻译，使得进程可以引用操作系统为他分配的页面。

既然所有页面都是操作系统持有的，那么就可以耍一些小花招，在实现 fork 时除了按照里要所有内容都复制一份。还可以让新进程和老进程共享页面，即只复制映射表。新老进程指向同一个可写页面。对于可读可写段，临时禁止写这个行为，这样要写时，触发缺页中断，如果是非法访问，那么是报段错误，如果发现是临时禁止的，那么就拷贝一份再写。

除此之外，操作系统还要维护一个引用计数，计数为1，就可以把rw权限重新还回去。如果是fork后execve基础不会去写内存，这样开销就很小。

这就是 copy-on-write 。好处，一些.so动态库，一些都会引用的东西，整个物理内存里有一份副本就行。

如何写代码证明操作系统有这个机制？

并发，查看内存占用，试探操作系统的行为。

这时候想查看一个进程占用了多少内存是个伪命题。mmap查看的，可以分配特别大的内存，但是不使用。

状态机的复制

最后更新于4个月前