linux-2.6.11-fork(),v_fork(),clone()进程创建

进程创建函数fork(),v_fork(),和__clone()库函数都根据各自需要的参数标志去调用do_fork()。
先看一下linux-2.6.11的相关源码组成：
unistd.h
有289个系统调用号的宏定义，大于289则为无效值；
有8个系统调用_syscalln(),其中n的范围从0到6。对每个宏来说，都有2+2*n个参数：

#define _syscall0(type,name) type name(void) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)     : "0" (__NR_##name)); __syscall_return(type,__res); }#define _syscall1(type,name,type1,arg1) type name(type1 arg1) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)    : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)));__syscall_return(type,__res); }#define _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2) type name(type1 arg1,type2 arg2) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)     : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2))); __syscall_return(type,__res); }#define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)     : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)),           "d" ((long)(arg3)));__syscall_return(type,__res); }#define _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) type name (type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3, type4 arg4) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)     : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)),       "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4))); __syscall_return(type,__res); } #define _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, type5,arg5) type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80"     : "=a" (__res)     : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)),       "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5))); __syscall_return(type,__res); }#define _syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, type5,arg5,type6,arg6) type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5,type6 arg6) { long __res; __asm__ volatile ("push %%ebp ; movl %%eax,%%ebp ; movl %1,%%eax ; int $0x80 ; pop %%ebp"     : "=a" (__res)     : "i" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)),       "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5)),       "0" ((long)(arg6))); __syscall_return(type,__res); }

有10个系统调用函数的声明：

asmlinkage int sys_modify_ldt(int func, void __user *ptr, unsigned long bytecount);asmlinkage long sys_mmap2(unsigned long addr, unsigned long len,            unsigned long prot, unsigned long flags,            unsigned long fd, unsigned long pgoff);asmlinkage int sys_execve(struct pt_regs regs);asmlinkage int sys_clone(struct pt_regs regs);asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs);asmlinkage int sys_vfork(struct pt_regs regs);asmlinkage int sys_pipe(unsigned long __user *fildes);asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data);asmlinkage long sys_iopl(unsigned long unused);struct sigaction;asmlinkage long sys_rt_sigaction(int sig,                const struct sigaction __user *act,                struct sigaction __user *oact,                size_t sigsetsize);

这次主要研究这三个进程创建函数：
asmlinkage int sys_clone(struct pt_regs regs);
asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs);
asmlinkage int sys_vfork(struct pt_regs regs);
这三个函数的实现在process.c中：

asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs){    return do_fork(SIGCHLD, regs.esp, &regs, 0, NULL, NULL);//1}asmlinkage int sys_clone(struct pt_regs regs){    unsigned long clone_flags;    unsigned long newsp;    int __user *parent_tidptr, *child_tidptr;    clone_flags = regs.ebx;    newsp = regs.ecx;    parent_tidptr = (int __user *)regs.edx;    child_tidptr = (int __user *)regs.edi;    if (!newsp)        newsp = regs.esp;    return do_fork(clone_flags, newsp, &regs, 0, parent_tidptr, child_tidptr);//2}asmlinkage int sys_vfork(struct pt_regs regs){    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, regs.esp, &regs, 0, NULL, NULL);//3}

在有//标记的三行可以看出这三个函数底层都根据各自需要调用了do_fork()函数。
所以，进入do_fork()函数，它在fork.c中：

/* *  Ok, this is the main fork-routine. * * It copies the process, and if successful kick-starts * it and waits for it to finish using the VM if required. *//** * 负责处理clone,fork,vfork系统调用。 * clone_flags-与clone的flag参数相同 * stack_start-与clone的child_stack相同 * regs-指向通用寄存器的值。是在从用户态切换到内核态时被保存到内核态堆栈中的。 * stack_size-未使用,总是为0 * parent_tidptr,child_tidptr-clone中对应参数ptid,ctid相同 */long do_fork(unsigned long clone_flags,          unsigned long stack_start,          struct pt_regs *regs,          unsigned long stack_size,          int __user *parent_tidptr,          int __user *child_tidptr){    struct task_struct *p;    int trace = 0;    /**     * 通过查找pidmap_array位图,为子进程分配新的pid参数.     */    long pid = alloc_pidmap();    if (pid < 0)        return -EAGAIN;    /**     * 如果父进程正在被跟踪,就检查debugger程序是否想跟踪子进程.并且子进程不是内核进程(CLONE_UNTRACED未设置)     * 那么就设置CLONE_PTRACE标志.     */    if (unlikely(current->ptrace)) {        trace = fork_traceflag (clone_flags);        if (trace)            clone_flags |= CLONE_PTRACE;    }    /**     * copy_process复制进程描述符.如果所有必须的资源都是可用的,该函数返回刚创建的task_struct描述符的地址.     * 这是创建进程的关键步骤.     */    p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size, parent_tidptr, child_tidptr, pid);//关键    /*     * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer     * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.     */    if (!IS_ERR(p)) {        struct completion vfork;        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {            p->vfork_done = &vfork;            init_completion(&vfork);        }        /**         * 如果设置了CLONE_STOPPED,或者必须跟踪子进程.         * 就设置子进程为TASK_STOPPED状态,并发送SIGSTOP信号挂起它.         */        if ((p->ptrace & PT_PTRACED) || (clone_flags & CLONE_STOPPED)) {            /*             * We'll start up with an immediate SIGSTOP.             */            sigaddset(&p->pending.signal, SIGSTOP);            set_tsk_thread_flag(p, TIF_SIGPENDING);        }        /**         * 没有设置CLONE_STOPPED,就调用wake_up_new_task         * 它调整父进程和子进程的调度参数.         * 如果父子进程运行在同一个CPU上,并且不能共享同一组页表(CLONE_VM标志被清0).那么,就把子进程插入父进程运行队列.         * 并且子进程插在父进程之前.这样做的目的是:如果子进程在创建之后执行新程序,就可以避免写时复制机制执行不必要时页面复制.         * 否则,如果运行在不同的CPU上,或者父子进程共享同一组页表.就把子进程插入父进程运行队列的队尾.         */        if (!(clone_flags & CLONE_STOPPED))            wake_up_new_task(p, clone_flags);        else/*如果CLONE_STOPPED标志被设置，就把子进程设置为TASK_STOPPED状态。*/            p->state = TASK_STOPPED;        /**         * 如果进程正被跟踪,则把子进程的PID插入到父进程的ptrace_message,并调用ptrace_notify         * ptrace_notify使当前进程停止运行,并向当前进程的父进程发送SIGCHLD信号.子进程的祖父进程是跟踪父进程的debugger进程.         * dubugger进程可以通过ptrace_message获得被创建子进程的PID.         */        if (unlikely (trace)) {            current->ptrace_message = pid;            ptrace_notify ((trace << 8) | SIGTRAP);        }        /**         * 如果设置了CLONE_VFORK,就把父进程插入等待队列,并挂起父进程直到子进程结束或者执行了新的程序.         */        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {            wait_for_completion(&vfork);            if (unlikely (current->ptrace & PT_TRACE_VFORK_DONE))                ptrace_notify ((PTRACE_EVENT_VFORK_DONE << 8) | SIGTRAP);        }    } else {            free_pidmap(pid);        pid = PTR_ERR(p);    }    return pid;}

该函数调用copy_process()函数，然后让进程开始运行，接下来分析copy_process()函数,它在fork.c中

static task_t *copy_process(unsigned long clone_flags,                 unsigned long stack_start,                 struct pt_regs *regs,                 unsigned long stack_size,                 int __user *parent_tidptr,                 int __user *child_tidptr,                 int pid){    int retval;    struct task_struct *p = NULL;    /**     * 检查clone_flags所传标志的一致性。     */    /**     * 如果CLONE_NEWNS和CLONE_FS标志都被设置，返回错误     */    if ((clone_flags & (CLONE_NEWNS|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWNS|CLONE_FS))        return ERR_PTR(-EINVAL);    /**     * CLONE_THREAD标志被设置，并且CLONE_SIGHAND没有设置。     * (同一线程组中的轻量级进程必须共享信号)     */    if ((clone_flags & CLONE_THREAD) && !(clone_flags & CLONE_SIGHAND))        return ERR_PTR(-EINVAL);    /**     * CLONE_SIGHAND被设置，但是CLONE_VM没有设置。     * (共享信号处理程序的轻量级进程也必须共享内存描述符)     */    if ((clone_flags & CLONE_SIGHAND) && !(clone_flags & CLONE_VM))        return ERR_PTR(-EINVAL);    /**     * 通过调用security_task_create以及稍后调用security_task_alloc执行所有附加的安全检查。     * LINUX2.6提供扩展安全性的钩子函数，与传统unix相比，它具有更加强壮的安全模型。     */    retval = security_task_create(clone_flags);    if (retval)        goto fork_out;    retval = -ENOMEM;    /**     * 调用dup_task_struct为子进程获取进程描述符。     */    p = dup_task_struct(current);    if (!p)        goto fork_out;    /**     * 检查存放在current->sigal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur中的限制值，是否小于或者等于用户所拥有的进程数。     * 如果是，则返回错误码。当然，有root权限除外。     * p->user表示进程的拥有者，p->user->processes表示进程拥有者当前进程数     * xie.baoyou注：此处比较是用>=而不是>     */    retval = -EAGAIN;    if (atomic_read(&p->user->processes) >=            p->signal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur) {        /**         * 当然，用户有root权限就另当别论了         */        if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) && !capable(CAP_SYS_RESOURCE) &&                p->user != &root_user)            goto bad_fork_free;    }    /**     * 递增user结构的使用计数器     */    atomic_inc(&p->user->__count);    /**     * 增加用户拥有的进程计数。     */    atomic_inc(&p->user->processes);    get_group_info(p->group_info);    /*     * If multiple threads are within copy_process(), then this check     * triggers too late. This doesn't hurt, the check is only there     * to stop root fork bombs.     */    /**     * 检查系统中的进程数量（nr_threads）是否超过max_threads     * max_threads的缺省值是由系统内存容量决定的。总的原则是：所有的thread_info描述符和内核栈所占用的空间     * 不能超过物理内存的1/8。不过，系统管理可以通过写/proc/sys/kernel/thread-max文件来改变这个值。     */    if (nr_threads >= max_threads)        goto bad_fork_cleanup_count;    ......    copy_flags(clone_flags, p);    /**     * 保存新进程的pid值。     */    p->pid = pid;    retval = -EFAULT;    /**     * 如果CLONE_PARENT_SETTID标志被设置，就将子进程的PID复制到参数parent_tidptr指向的用户态变量中。     * xie.baoyou:想想我们常常调用的pid = fork()语句吧。     */    if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)        if (put_user(p->pid, parent_tidptr))            goto bad_fork_cleanup;    p->proc_dentry = NULL;    /**     * 初始化子进程描述符中的list_head数据结构和自旋锁。     * 并为挂起信号，定时器及时间统计表相关的几个字段赋初值。     */    INIT_LIST_HEAD(&p->children);/* 初始化孩子指针 */    INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);/* 初始化兄弟指针 */    p->vfork_done = NULL;    ......    /**     * copy_semundo，copy_files，copy_fs，copy_sighand，copy_signal     * copy_mm，copy_keys，copy_namespace创建新的数据结构，并把父进程相应数据结构的值复制到新数据结构中。     * 除非clone_flags参数指出它们有不同的值。     */    if ((retval = copy_semundo(clone_flags, p)))        goto bad_fork_cleanup_audit;    if ((retval = copy_files(clone_flags, p)))/*  如果CLONE_FILES被设置了，那么自进程将与父进程共享已经被父进程打开的文件，只是将文件的共享数+1    否则，创建一个新的文件结构体，并且将父进程的打开文件的文件结构题(file_struct)拷贝一份，赋给子进程的files字段.  */        goto bad_fork_cleanup_semundo;    if ((retval = copy_fs(clone_flags, p)))        goto bad_fork_cleanup_files;    if ((retval = copy_sighand(clone_flags, p)))        goto bad_fork_cleanup_fs;    if ((retval = copy_signal(clone_flags, p)))        goto bad_fork_cleanup_sighand;    if ((retval = copy_mm(clone_flags, p)))/* 虚拟内存 */        goto bad_fork_cleanup_signal;    if ((retval = copy_keys(clone_flags, p)))        goto bad_fork_cleanup_mm;    if ((retval = copy_namespace(clone_flags, p)))/* 命名空间*/        goto bad_fork_cleanup_keys;    /**     * 调用copy_thread，用发出clone系统调用时CPU寄存器的值（它们保存在父进程的内核栈中） 来初始化子进程的内核栈。不过，copy_thread把eax寄存器对应字段的值（这是fork和clone系统调用在子进程中的返回值）强行置为0。子进程描述符的thread.esp字段初始化为子进程内核栈的基地址。ret_from_fork的地址存放在thread.eip中。如果父进程使用IO权限位图。则子进程获取该位图的一个拷贝。最后，如果CLONE_SETTLS标志被置位，则子进程获取由CLONE系统调用的参数tls指向的用户态数据结构所表示的TLS段。     */    retval = copy_thread(0, clone_flags, stack_start, stack_size, p, regs);    if (retval)        goto bad_fork_cleanup_namespace;    /**     * 如果clone_flags参数的值被置为CLONE_CHILD_SETTID或CLONE_CHILD_CLEARTID     * 就把child_tidptr参数的值分别复制到set_child_tid或clear_child_tid字段。     * 这些标志说明：必须改变子进程用户态地址空间的dhild_tidptr所指向的变量的值     * 不过实际的写操作要稍后再执行。     */    p->set_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_SETTID) ? child_tidptr : NULL;    /*     * Clear TID on mm_release()?     */    p->clear_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_CLEARTID) ? child_tidptr: NULL;    /*     * Syscall tracing should be turned off in the child regardless     * of CLONE_PTRACE.     */    /**     * 清除TIF_SYSCALL_TRACE标志。使ret_from_fork函数不会把系统调用结束的消息通知给调试进程。     * 也不应该通知给调试进程，因为子进程并没有调用fork.     */    clear_tsk_thread_flag(p, TIF_SYSCALL_TRACE);    /* Our parent execution domain becomes current domain       These must match for thread signalling to apply */    p->parent_exec_id = p->self_exec_id;    /* ok, now we should be set up.. */    /**     * 用clone_flags参数低位的信号数据编码统建始化tsk_exit_signal字段。     * 如CLONE_THREAD标志被置位，就把exit_signal字段初始化为-1。     * 这样做是因为：当创建线程时，即使被创建的线程死亡，都不应该给领头进程的父进程发送信号。     * 而应该是领头进程死亡后，才向其领头进程的父进程发送信号。     当线程组的最后一个线程死亡后给父进程发送信号     */    p->exit_signal = (clone_flags & CLONE_THREAD) ? -1 : (clone_flags & CSIGNAL);    p->pdeath_signal = 0;y    p->exit_state = 0;    /* Perform scheduler related setup */    /**     * 调用sched_fork完成对新进程调度程序数据结构的初始化。     * 该函数把新进程的状态置为TASK_RUNNING，并把thread_info结构的preempt_count字段设置为1，     * 从而禁止抢占。     * 此外，为了保证公平调度，父子进程共享父进程的时间片。     */    sched_fork(p);    /*     * Ok, make it visible to the rest of the system.     * We dont wake it up yet.     */    p->group_leader = p;    INIT_LIST_HEAD(&p->ptrace_children);    INIT_LIST_HEAD(&p->ptrace_list);    /* Need tasklist lock for parent etc handling! */    write_lock_irq(&tasklist_lock);    /*     * The task hasn't been attached yet, so cpus_allowed mask cannot     * have changed. The cpus_allowed mask of the parent may have     * changed after it was copied first time, and it may then move to     * another CPU - so we re-copy it here and set the child's CPU to     * the parent's CPU. This avoids alot of nasty races.     */    p->cpus_allowed = current->cpus_allowed;    /**     * 初始化子线程的cpu字段。     */    set_task_cpu(p, smp_processor_id());    /*     * Check for pending SIGKILL! The new thread should not be allowed     * to slip out of an OOM kill. (or normal SIGKILL.)     */    if (sigismember(&current->pending.signal, SIGKILL)) {        write_unlock_irq(&tasklist_lock);        retval = -EINTR;        goto bad_fork_cleanup_namespace;    }    /* CLONE_PARENT re-uses the old parent */    /**     * 初始化表示亲子关系的字段，如果CLONE_PARENT或者CLONE_THREAD被设置了     * 就用current->real_parent初始化，否则，当前进程就是初创建进程的父进程。     */    if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD))        p->real_parent = current->real_parent;    else        p->real_parent = current;    p->parent = p->real_parent;    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {        spin_lock(&current->sighand->siglock);        /*         * Important: if an exit-all has been started then         * do not create this new thread - the whole thread         * group is supposed to exit anyway.         */        if (current->signal->flags & SIGNAL_GROUP_EXIT) {            spin_unlock(&current->sighand->siglock);            write_unlock_irq(&tasklist_lock);            retval = -EAGAIN;            goto bad_fork_cleanup_namespace;        }        p->group_leader = current->group_leader;        if (current->signal->group_stop_count > 0) {            /*             * There is an all-stop in progress for the group.             * We ourselves will stop as soon as we check signals.             * Make the new thread part of that group stop too.             */            current->signal->group_stop_count++;            set_tsk_thread_flag(p, TIF_SIGPENDING);        }        spin_unlock(&current->sighand->siglock);    }    /**      * 把新进程加入到进程链表     */    SET_LINKS(p);    /**     * PT_PTRACED表示子进程必须被跟踪，就把current->parent赋给tsk->parent，并将子进程插入调试程序的跟踪链表中。     */    if (unlikely(p->ptrace & PT_PTRACED))        __ptrace_link(p, current->parent);    /**     * 把新进程描述符的PID插入pidhash散列表中。     */    attach_pid(p, PIDTYPE_PID, p->pid);    attach_pid(p, PIDTYPE_TGID, p->tgid);    /**     * 如果子进程是线程组的领头进程(CLONE_THREAD标志被清0)     */    if (thread_group_leader(p)) {        /**         * 将进程插入相应的散列表。         */        attach_pid(p, PIDTYPE_PGID, process_group(p));        attach_pid(p, PIDTYPE_SID, p->signal->session);        if (p->pid)            __get_cpu_var(process_counts)++;    }    ......}

它的工作是：

1、调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈，struct task_struct 结构和struct thread_info 结构，存放新进程信息。这些值与当前进程的值相同，此时，子进程和父进程的描述符是完全相同的。

2、检查创建新进程后系统中的进程数量（nr_threads）是否超过最大进程数，最大进程数的默认值由系统的RAM的大小决定。 一般来说，所有的thread_info结构体和所有的内核堆栈之和不能超过物理内存的八分之一。

3、设置几个与进程状态相关的关键字段。修改标志位和初始值。

4、调用copy_flags(clone_flags, p)，更新从父进程复制到task_flags字段中的一些标志。首先清除PF_SUPERPRIV。该标志表示进程是否使用了某种超级用户权限。然后设置PF_FORKNOEXEC标志。它表示子进程还没有发出execve系统调用,仍执行原来的代码。

5、为新进程获取有效的pid。

6、根据传递进来的参数，拷贝或共享打开的文件、文件系统信息、信号处理函数、进程地址空间和命名空间等。

7、调用sched_fork完成对新进程调度程序数据结构的初始化。该函数把新进程的状态置为TASK_RUNNING，并把thread_info结构的preempt_count字段设置为1，从而禁止抢占。

8、为了保证公平调度，父子进程共享父进程的时间片。

9、把新进程加入到进程链表，把新进程描述符的PID插入pidhash散列表中。

10、返回一个指向新进程的task_struct类型指针

再返回到do_fork()函数中，如果copy_process()返回成功，新进程将被唤醒并被投入运行，内核偏向于让子进程先运行。函数结束返回新创建的子进程的pid，至此新进程创建成功。

fork()和v_fork()区别：
调用do_fork()时参数

asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs){    return do_fork(SIGCHLD, regs.esp, &regs, 0, NULL, NULL);}asmlinkage int sys_vfork(struct pt_regs regs){    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, regs.esp, &regs, 0, NULL, NULL);}

可以看到只有第一个参数不同，参数列表如下

可见CLONE_VM是父子进程共享地址空间
在do_fork()中，处理CLONE_VFORK标志：

if (clone_flags & CLONE_VFORK) {            wait_for_completion(&vfork);            if (unlikely (current->ptrace & PT_TRACE_VFORK_DONE))                ptrace_notify ((PTRACE_EVENT_VFORK_DONE << 8) | SIGTRAP);        }

将父进程插入等待队列,并挂起父进程直到子进程结束或者执行了新的程序