在 Linux 中，進(jìn)程是我們非常熟悉的東東了，哪怕是只寫過一天代碼的人也都用過它。但是你確定它不是你最熟悉的陌生人？我們今天通過深度剖析進(jìn)程的創(chuàng)建過程，幫助你提高對進(jìn)程的理解深度。

　　在這篇文章中，我會用 Nginx 創(chuàng)建 worker 進(jìn)程的例子作為引入，然后帶大家了解一些進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) task_struct，最后再帶大家看一下 fork 執(zhí)行的過程。

　　學(xué)習(xí)完本文，你將深度理解進(jìn)程中的那些關(guān)鍵要素，諸如進(jìn)程地址空間、當(dāng)前目錄、父子進(jìn)程關(guān)系、進(jìn)程打開的文件 fd 表、進(jìn)程命名空間等。也能學(xué)習(xí)到內(nèi)核在保存已經(jīng)使用的 pid 號時是如何優(yōu)化內(nèi)存占用的。我們展開今天的拆解！

　　一、Nginx 之 fork 創(chuàng)建 worker

　　在 Linux 進(jìn)程的創(chuàng)建中，最核心的就是 fork 系統(tǒng)調(diào)用。不過我們先不著急介紹它，先拿多進(jìn)程服務(wù)中的一個經(jīng)典例子 - Nginx，來看看他是如何使用 fork 來創(chuàng)建 worker 的。

　　Nginx 服務(wù)采用的是多進(jìn)程方式來工作的，它啟動的時候會創(chuàng)建若干個 worker 進(jìn)程出來，來響應(yīng)和處理用戶請求。創(chuàng)建 worker 子進(jìn)程的源碼位于 nginx 源碼的 src/os/unix/ngx_process_cycle.c 文件中。通過循環(huán)調(diào)用 ngx_spawn_process 來創(chuàng)建 n 個 worker 出來。

　　在 ngx_spawn_process 中調(diào)用 fork 來創(chuàng)建進(jìn)程，創(chuàng)建成功后 Worker 進(jìn)程就將進(jìn)入自己的入口函數(shù)中開始工作了。

　　二、Linux 中對進(jìn)程的表示

　　在深入理解進(jìn)程創(chuàng)建之前，我們先來看一下進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　在 Linux 中，是用一個 task_struct 來實現(xiàn) Linux 進(jìn)程的（其實 Linux 線程也同樣是用 task_struct 來表示的，這個我們以后文章單獨再說）。

　　我們來看看 task_struct 具體的定義，它位于 include/linux/sched.h

　　2.1 進(jìn)程線程狀態(tài)

　　進(jìn)程線程都是有狀態(tài)的，它的狀態(tài)就保存在 state 字段中。常見的狀態(tài)中 TASK_RUNNING 表示進(jìn)程線程處于就緒狀態(tài)或者是正在執(zhí)行。TASK_INTERRUPTIBLE 表示進(jìn)程線程進(jìn)入了阻塞狀態(tài)。

　　一個任務(wù)（進(jìn)程或線程）剛創(chuàng)建出來的時候是 TASK_RUNNING 就緒狀態(tài)，等待調(diào)度器的調(diào)度。調(diào)度器執(zhí)行 schedule 后，任務(wù)獲得 CPU 后進(jìn)入  執(zhí)行進(jìn)行運(yùn)行。當(dāng)需要等待某個事件的時候，例如阻塞式 read 某個 socket 上的數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)還沒有到達(dá)的時候，任務(wù)進(jìn)入 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)，任務(wù)被阻塞掉。

　　當(dāng)?shù)却氖录竭_(dá)以后，例如 socket 上的數(shù)據(jù)到達(dá)了。內(nèi)核在收到數(shù)據(jù)后會查看 socket 上阻塞的等待任務(wù)隊列，然后將之喚醒，使得任務(wù)重新進(jìn)入 TASK_RUNNING 就緒狀態(tài)。任務(wù)如此往復(fù)地在各個狀態(tài)之間循環(huán)，直到退出。

　　一個任務(wù)（進(jìn)程或線程）的大概狀態(tài)流轉(zhuǎn)圖如下。

　　全部的狀態(tài)值在 include/linux/sched.h 中進(jìn)行了定義。

　　2.2 進(jìn)程 ID

　　我們知道，每一個進(jìn)程都有一個進(jìn)程 id 的概念。在 task_struct 中有兩個相關(guān)的字段，分別是 pid 和 tgid。

　　其中 pid 是 Linux 為了標(biāo)識每一個進(jìn)程而分配給它們的唯一號碼，稱做進(jìn)程 ID 號，簡稱 PID。對于沒有創(chuàng)建線程的進(jìn)程(只包含一個主線程)來說，這個 pid 就是進(jìn)程的 PID，tgid 和 pid 是相同的。

　　2.3 進(jìn)程樹關(guān)系

　　在 Linux 下所有的進(jìn)程都是通過一棵樹來管理的。在操作系統(tǒng)啟動的時候，會創(chuàng)建 init 進(jìn)程，接下來所有的進(jìn)程都是由這個進(jìn)程直接或者間接創(chuàng)建的的。通過 pstree 命令可以查看你當(dāng)前服務(wù)器上的進(jìn)程樹信息。

　　那么，這棵進(jìn)程樹就是由 task_struct 下的 parent、children、sibling 等字段來表示的。這幾個字段將系統(tǒng)中的所有 task 串成了一棵樹。

　　2.4 進(jìn)程調(diào)度優(yōu)先級

　　在 task_struct 中有幾個字段是表示進(jìn)程優(yōu)先級的，在進(jìn)程調(diào)度的時候會根據(jù)這幾個字段來決定優(yōu)先讓哪個任務(wù)（進(jìn)程或線程）開始執(zhí)行。

　　static_prio: 用來保存靜態(tài)優(yōu)先級，可以調(diào)用 nice 系統(tǒng)直接來修改取值范圍為 100~139

　　rt_priority: 用來保存實時優(yōu)先級,取值范圍為 0~99

　　prio: 用來保存動態(tài)優(yōu)先級

　　normal_prio: 它的值取決于靜態(tài)優(yōu)先級和調(diào)度策略

　　2.5 進(jìn)程地址空間

　　對于用戶進(jìn)程來講，內(nèi)存描述符 mm_struct( mm 代表的是 memory descriptor)是非常核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。整個進(jìn)程的虛擬地址空間部分都是由它來表示的。

　　進(jìn)程在運(yùn)行的時候，在用戶態(tài)其所需要的代碼，全局變量數(shù)據(jù)，以及 mmap 內(nèi)存映射等全部都是通過 mm_struct 來進(jìn)行內(nèi)存查找和尋址的。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義位于 include/linux/mm_types.h 文件下。

　　其中 start_code、end_code 分別指向代碼段的開始與結(jié)尾、start_data 和 end_data 共同決定數(shù)據(jù)段的區(qū)域、start_brk 和 brk 中間是堆內(nèi)存的位置、start_stack 是用戶態(tài)堆棧的起始地址。整個 mm_struct 和地址空間、頁表、物理內(nèi)存的關(guān)系如下圖。

　　在內(nèi)核內(nèi)存區(qū)域，可以通過直接計算得出物理內(nèi)存地址，并不需要復(fù)雜的頁表計算。而且最重要的是所有內(nèi)核進(jìn)程、以及用戶進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)，這部分內(nèi)存都是共享的。

　　另外要注意的是，mm（mm_struct）表示的是虛擬地址空間。而對于內(nèi)核線程來說，是沒有用戶態(tài)的虛擬地址空間的。所以內(nèi)核線程的 mm 的值是 null。

　　2.6 進(jìn)程文件系統(tǒng)信息（當(dāng)前目錄等）

　　進(jìn)程的文件位置等信息是由 fs_struct 來描述的，它的定義位于 include/linux/fs_struct.h 文件中。

　　通過以上代碼可以看出，在 fs_struct 中包含了兩個 path 對象，而每個 path 中都指向了一個 struct dentry。在 Linux 內(nèi)核中，denty 結(jié)構(gòu)是對一個目錄項的描述。

　　拿 pwd 來舉例，該指針指向的是進(jìn)程當(dāng)前目錄所處的 denty 目錄項。假如我們在 shell 進(jìn)程中執(zhí)行 pwd，或者用戶進(jìn)程查找當(dāng)前目錄下的配置文件的時候，都是通過訪問 pwd 這個對象，進(jìn)而找到當(dāng)前目錄的 denty 的。

　　2.7 進(jìn)程打開的文件信息

　　每個進(jìn)程用一個 files_struct 結(jié)構(gòu)來記錄文件描述符的使用情況， 這個 files_struct 結(jié)構(gòu)稱為用戶打開文件表。它的定義位于 include/linux/fdtable.h。

　　注意：飛哥用的內(nèi)核源碼一直是 3.10.0, 所以本文也不例外。不同版本的源碼這里稍微可能有些出入。

　　在 files_struct 中，最重要的是在 fdtable 中包含的 file **fd 這個數(shù)組。這個數(shù)組的下標(biāo)就是文件描述符，其中 0、1、2 三個描述符總是默認(rèn)分配給標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯誤。這就是你在 shell 命令中經(jīng)?？吹降?2>&1 的由來。這幾個字符的含義就是把標(biāo)準(zhǔn)錯誤也一并打到標(biāo)準(zhǔn)輸出中來。

　　在數(shù)組元素中記錄了當(dāng)前進(jìn)程打開的每一個文件的指針。這個文件是 Linux 中抽象的文件，可能是真的磁盤上的文件，也可能是一個 socket。

　　2.8 namespaces

　　在 Linux 中，namespace 是用來隔離內(nèi)核資源的方式。通過 namespace 可以讓一些進(jìn)程只能看到與自己相關(guān)的一部分資源，而另外一些進(jìn)程也只能看到與它們自己相關(guān)的資源，這兩撥進(jìn)程根本就感覺不到對方的存在。

　　具體的實現(xiàn)方式是把一個或多個進(jìn)程的相關(guān)資源指定在同一個 namespace 中，而進(jìn)程究竟是屬于哪個 namespace，都是在 task_struct 中由 *nsproxy 指針表明了這個歸屬關(guān)系。

　　命名空間包括PID命名空間、掛載點命名空間、網(wǎng)絡(luò)命名空間等多個。飛哥在咱們「開發(fā)內(nèi)功修煉」前面的一篇文章《動手實驗+源碼分析，徹底弄懂Linux網(wǎng)絡(luò)命名空間》這一文中詳細(xì)介紹過網(wǎng)絡(luò)命名空間，感興趣的同學(xué)可以詳細(xì)閱讀。

　　三、解密 fork 系統(tǒng)調(diào)用

　　前面我們看了 Nginx 使用 fork 來創(chuàng)建 worker 進(jìn)程，也了解了進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) task_struct ，我們再來看看 fork 系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)部邏輯。

　　這個 fork 在內(nèi)核中是以一個系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)的，它的內(nèi)核入口是在 kernel/fork.c 下。

　　這里注意下調(diào)用 do_fork 時傳入的第一個參數(shù)，這個參數(shù)是一個 flag 選項。它可以傳入的值包括 CLONE_VM、CLONE_FS 和 CLONE_FILES 等等很多，但是這里只傳了一個 SIGCHLD（子進(jìn)程在終止后發(fā)送 SIGCHLD 信號通知父進(jìn)程），并沒有傳 CLONE_FS 等其它 flag。

　　在 do_fork 的實現(xiàn)中，核心是一個 copy_process 函數(shù)，它以拷貝父進(jìn)程的方式來生成一個新的 task_struct 出來。

　　在創(chuàng)建完畢后，調(diào)用 wake_up_new_task 將新創(chuàng)建的任務(wù)添加到就緒隊列中，等待調(diào)度器調(diào)度執(zhí)行。

　　copy_process 的代碼很長，我對其進(jìn)行了一定程度的精簡，參加下面的代碼。

　　可見，copy_process 先是復(fù)制了一個新的 task_struct 出來，然后調(diào)用 copy_xxx 系列的函數(shù)對 task_struct 中的各種核心對象進(jìn)行拷貝處理，還申請了 pid。接下來我們分小節(jié)來查看該函數(shù)的每一個細(xì)節(jié)。

　　3.1 復(fù)制進(jìn)程 task_struct 結(jié)構(gòu)體

　　注意一下，上面調(diào)用 dup_task_struct 時傳入的參數(shù)是 current，它表示的是當(dāng)前進(jìn)程。在 dup_task_struct 里，會申請一個新的 task_struct 內(nèi)核對象，然后將當(dāng)前進(jìn)程復(fù)制給它。需要注意的是，這次拷貝只會拷貝 task_struct 結(jié)構(gòu)體本身，它內(nèi)部包含的 mm_struct 等成員只是復(fù)制了指針，仍然指向和 current 相同的對象。

　　3.2 拷貝 files_struct

　　由于進(jìn)程之間都是獨立的，所以創(chuàng)建出來的新進(jìn)程需要拷貝一份獨立的 files 成員出來。

　　我們看 copy_files 是如何申請和拷貝 files 成員的。

　　看上面代碼中判斷了是否有 CLONE_FILES 標(biāo)記，如果有的話就不執(zhí)行 dup_fd 函數(shù)了，增加個引用計數(shù)就返回了。前面我們說了，do_fork 被調(diào)用時并沒有傳這個標(biāo)記。所以還是會執(zhí)行到 dup_fd 函數(shù)：

　　這個函數(shù)就是到內(nèi)核中申請一塊內(nèi)存出來，保存 files_struct 使用。然后對新的 files_struct 進(jìn)行各種初始化和拷貝。至此，新進(jìn)程有了自己獨立的 files 成員了。

　　3.3 拷貝 fs_struct

　　同樣，新進(jìn)程也需要一份獨立的文件系統(tǒng)信息 - fs_struct 成員的。

　　在創(chuàng)建進(jìn)程的時候，沒有傳遞 CLONE_FS 這個標(biāo)志，所會進(jìn)入到 copy_fs_struct 函數(shù)中申請新的 fs_struct 并進(jìn)行賦值。

　　3.4 拷貝 mm_struct

　　前面我們說過，對于進(jìn)程來講，地址空間是一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而且進(jìn)程之間地址空間也必須是要隔離的，所以還會新建一個地址空間。

　　do_fork 被調(diào)用時也沒有傳 CLONE_VM，所以會調(diào)用 dup_mm 申請一個新的地址空間出來。

　　在 dup_mm 中，通過 allocate_mm 申請了新的 mm_struct，而且還將當(dāng)前進(jìn)程地址空間 current->mm 拷貝到新的 mm_struct 對象里了。

　　地址空間是進(jìn)程線程最核心的東西，每個進(jìn)程都有獨立的地址空間

　　3.5 拷貝進(jìn)程的命名空間 nsproxy

　　在創(chuàng)建進(jìn)程或線程的時候，還可以讓內(nèi)核幫我們創(chuàng)建獨立的命名空間。在默認(rèn)情況下，創(chuàng)建進(jìn)程沒有指定命名空間相關(guān)的標(biāo)記，因此也不會創(chuàng)建。新舊進(jìn)程仍然復(fù)用同一套命名空間對象。

　　注意下，在調(diào)用 alloc_pid 的時候，其參數(shù)傳遞的是新進(jìn)程的 pid namespace。我們來深看一下 alloc_pid 的執(zhí)行邏輯。

　　這里的 PID 并不是一個整數(shù)，而是一個結(jié)構(gòu)體，所以先試用 kmem_cache_alloc 把它申請出來。接下來調(diào)用 alloc_pidmap 到 pid 命名空間中申請一個 pid 號出來，申請完后賦值記錄。

　　回顧我們開篇提到的一個問題：操作系統(tǒng)是如何記錄使用過的進(jìn)程號的？在 Linux 內(nèi)部，為了節(jié)約內(nèi)存，進(jìn)程號是通過 bitmap 來管理的。

　　在每一個 pid 命名空間內(nèi)部，會有一個或者多個頁面來作為 bitmap。其中每一個 bit 位（注意是 bit 位，不是字節(jié)）的 0 或者 1 的狀態(tài)來表示當(dāng)前序號的 pid 是否被占用。

　　在各種語言中，一般一個 int 都是 4 個字節(jié)，換算成 bit 就是 32 bit。而使用這種 bitmap 的思想的話，只需要一個 bit 就可以表示一個整數(shù)，相當(dāng)?shù)墓?jié)約內(nèi)存。所以，在很多超大規(guī)模數(shù)據(jù)處理中都會用到這種思想來進(jìn)行優(yōu)化內(nèi)存占用的。

　　3.7 進(jìn)入就緒隊列

　　當(dāng) copy_process 執(zhí)行完畢的時候，表示新進(jìn)程的一個新的 task_struct 對象就創(chuàng)建出來了。接下來內(nèi)核會調(diào)用 wake_up_new_task 將這個新創(chuàng)建出來的子進(jìn)程添加到就緒隊列中等待調(diào)度。

　　等操作系統(tǒng)真正調(diào)度開始的時候，子進(jìn)程中的代碼就可以真正開始執(zhí)行了。

　　四、總結(jié)

　　在這篇文章中，我用 Nginx 創(chuàng)建 worker 進(jìn)程的例子作為引入，然后帶大家了解一些進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) task_struct，最后又帶大家看一下 fork 執(zhí)行的過程。

　　在 fork 創(chuàng)建進(jìn)程的時候，地址空間 mm_struct、掛載點 fs_struct、打開文件列表 files_struct 都要是獨立擁有的，所以都去申請內(nèi)存并初始化了它們。但由于今天我們的例子父子進(jìn)程是同一個命名空間，所以 nsproxy 還仍然是共用的。

　　其中 mm_struct 是一個非常核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶進(jìn)程的虛擬地址空間就是用它來表示的。對于內(nèi)核線程來講，不需要虛擬地址空間，所以 mm 成員的值為 null。

　　另外還學(xué)到了內(nèi)核是用 bitmap 來管理使用和為使用的 pid 號的，這樣做的好處是極大地節(jié)約了內(nèi)存開銷。而且由于數(shù)據(jù)存儲的足夠緊湊，遍歷起來也是非常的快。一方面原因是數(shù)據(jù)小，加載起來快。另外一方面是會加大提高 CPU 緩存的命中率，訪問非常快。

　　今天的進(jìn)程創(chuàng)建過程就學(xué)習(xí)完了。不過細(xì)心的同學(xué)可能發(fā)現(xiàn)了，我們這里只介紹了子進(jìn)程的調(diào)用。但是對于 Nginx 主進(jìn)程如何加載起來執(zhí)行的還沒有講到。我們將來還會展開敘述，敬請期待！

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