Linux 系统调用 fork()、vfork() 和 clone()

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fork()

生成一个进程，实际上就是把当前进程复制一份。 除了一些特殊的方面（比如，进程
号），新的进程（子进程）和老的进程（父进程）几乎一模一样。fork()虽然只调
用了一次，但会在父进程和子进程中分别返回（等于是一共返回了两次），父进程中
返回所创建子进程的pid，子进程中返回 0。在 fork() 结束后，父进程和子进程
的执行顺序不确定，由高度程序决定谁先执行。不过可以在父进程中调用wait()等
待子进程结束。

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int count = 0;

    if (fork()) {               /* parent */
        wait(0);
        printf("In parent\n");
    } else {                    /* child */
        printf("In child\n");
    }
    return 0;
}

wait(0)中的参数0表示等待任一（进程组 ID 相同的）子进程结束，也可以将
fork()的返回值保存下来，作为wait()的参数。

vfork()

从vfork()的产生原因来理解它会比较容易。因为fork()操作会将当前进程的任何
资源几乎完全复制一份，其中包括了地址空间。一般fork()调用后都会跟着调用
execve()，用新的内存镜像取代原来的内存镜像，当地址空间很大时，复制的操作会
很费时，而且又是做无用功，所以就产生了vfork()。

vfork()产生的子进程与父进程共享地址空间，就没有了复制产生的开销。而且
vfork()保证父进程在子进程调用execve()或exit()之前不会执行。

例子

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#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int count = 0;

    printf("count before fork = %d\n", count);
    if (vfork()) {
        printf("In parent: count = %d\n", count);
    } else {
        printf("In child:  count = %d\n", ++count);
    }
    exit(0);
}

注意程序不能使用return语句退出（至少子进程不能使用），原因我猜测是
return语句会使得main函数的栈被清空，因为是使用的同一个内存空间，子进程
把栈清空后，父进程的栈就被破坏了，于是就出错了。使用exit()可以避免这个问题。

运行结果如下：

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$ clang vfork.c 
$ ./a.out 
count before fork = 0
In child:  count = 1
In parent: count = 1

可以看到父进程中变量的值确实被修改过了。

clone()

clone()可以更细粒度地控制与子进程共享的资源，因而参数也更复杂。原型如下：

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int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,
          int flags, void *arg, ...
          /* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid */ );

根据 man 2 clone 上的描述，这个原型并不是最底层的系统调用，而是封装过的，
真正的系统调用这里不给出，有兴趣可以查看手册。

在clone()创建子进程成功后，应付执行函数(fn(arg))。因为要执行不同的函数，
当然就不能和父进程共用一个栈了，第二个参数child_stack就为子进程提供了栈空
间。参数flags提供了克隆过程中的各个控制选项，具体还是查看手册。

手册中也说了，clone()的用途之一就是创建线程，多个线程并行地运行在同一个地
址空间里。

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#define _GNU_SOURCE   /* Must define before other headers */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sched.h>

#define CHILD_STACK 8192

int count = 0;

int child_run(void *arg)
{
    printf("count in child: %d\n", ++count);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int pid, status;
    void *child_stack = malloc(CHILD_STACK);
    if (!child_stack) {
        fprintf(stderr, "failed to allocate child stack\n");
        exit(1);
    }

    printf("count before clone: %d\n", count);
    /* Simulate vfork */
    pid = clone(child_run,
                (void*)((char*)child_stack+CHILD_STACK),
                CLONE_VM | CLONE_VFORK,
                0);

    if (pid == -1) {
        fprintf(stderr, "failed to clone\n");
        perror("clone failed: ");
        exit(2);
    } else {
        waitpid(pid, &status, 0);
        printf("count after clone: %d\n", count);
    }
    return 0;
}

这个程序模仿了上面vfork()的功能。程序最开始的#define _GNU_SOURCE不能省
略，不然会报错，虽然没有完全测试，但好像必须放在所有头文件的上面。

References

Linux 手册：man 2 clone
linux下 fork(),vfork(),clone()的用法及区别
CLONE_VM undeclared

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