linux进程创建fork函数详解

发布时间：2026/7/29 0:52:09

linux进程创建fork函数详解

linux0.11版本的fork函数源码：

/**  linux/kernel/fork.c**  (C) 1991  Linus Torvalds*//**  'fork.c' contains the help-routines for the 'fork' system call* (see also system_call.s), and some misc functions ('verify_area').* Fork is rather simple, once you get the hang of it, but the memory* management can be a bitch. See 'mm/mm.c': 'copy_page_tables()'*/
#include <errno.h>#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/segment.h>
#include <asm/system.h>extern void write_verify(unsigned long address);long last_pid=0;void verify_area(void * addr,int size)
{unsigned long start;start = (unsigned long) addr;size += start & 0xfff;start &= 0xfffff000;start += get_base(current->ldt[2]);while (size>0) {size -= 4096;write_verify(start);start += 4096;}
}int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)
{unsigned long old_data_base,new_data_base,data_limit;unsigned long old_code_base,new_code_base,code_limit;code_limit=get_limit(0x0f);data_limit=get_limit(0x17);old_code_base = get_base(current->ldt[1]);old_data_base = get_base(current->ldt[2]);if (old_data_base != old_code_base)panic("We don't support separate I&D");if (data_limit < code_limit)panic("Bad data_limit");new_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000;p->start_code = new_code_base;set_base(p->ldt[1],new_code_base);set_base(p->ldt[2],new_data_base);if (copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit)) {free_page_tables(new_data_base,data_limit);return -ENOMEM;}return 0;
}/**  Ok, this is the main fork-routine. It copies the system process* information (task[nr]) and sets up the necessary registers. It* also copies the data segment in it's entirety.*/
int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,long ebx,long ecx,long edx,long fs,long es,long ds,long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)
{struct task_struct *p;int i;struct file *f;p = (struct task_struct *) get_free_page();if (!p)return -EAGAIN;task[nr] = p;*p = *current;	/* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;p->pid = last_pid;p->father = current->pid;p->counter = p->priority;p->signal = 0;p->alarm = 0;p->leader = 0;		/* process leadership doesn't inherit */p->utime = p->stime = 0;p->cutime = p->cstime = 0;p->start_time = jiffies;p->tss.back_link = 0;p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;p->tss.ss0 = 0x10;p->tss.eip = eip;p->tss.eflags = eflags;p->tss.eax = 0;p->tss.ecx = ecx;p->tss.edx = edx;p->tss.ebx = ebx;p->tss.esp = esp;p->tss.ebp = ebp;p->tss.esi = esi;p->tss.edi = edi;p->tss.es = es & 0xffff;p->tss.cs = cs & 0xffff;p->tss.ss = ss & 0xffff;p->tss.ds = ds & 0xffff;p->tss.fs = fs & 0xffff;p->tss.gs = gs & 0xffff;p->tss.ldt = _LDT(nr);p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;if (last_task_used_math == current)__asm__("clts ; fnsave %0"::"m" (p->tss.i387));if (copy_mem(nr,p)) {task[nr] = NULL;free_page((long) p);return -EAGAIN;}for (i=0; i<NR_OPEN;i++)if (f=p->filp[i])f->f_count++;if (current->pwd)current->pwd->i_count++;if (current->root)current->root->i_count++;if (current->executable)current->executable->i_count++;set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));p->state = TASK_RUNNING;	/* do this last, just in case */return last_pid;
}int find_empty_process(void)
{int i;repeat:if ((++last_pid)<0) last_pid=1;for(i=0 ; i<NR_TASKS ; i++)if (task[i] && task[i]->pid == last_pid) goto repeat;for(i=1 ; i<NR_TASKS ; i++)if (!task[i])return i;return -EAGAIN;
}

这段代码是 Linux 0.11 内核中实现 fork 系统调用。fork 用于创建一个新的进程，它是通过复制当前进程（父进程）的方式来实现的。

verify_area

void verify_area(void * addr,int size)
  • verify_area 用于检查给定地址的内存区域是否可以被当前进程访问，并确保这部分内存已经被映射。如果没有映射，会触发缺页中断，从而分配新的页面。
void verify_area(void * addr,int size)
{// 定义一个变量来存储调整后的起始地址unsigned long start;// 将传入的地址转换为无符号长整型start = (unsigned long) addr;// 调整size以包含从addr到下一个页面边界的全部数据size += start & 0xfff; // 0xfff (4096 - 1) 用于获取addr相对于其页面开始的偏移量// 将start向下舍入到最近的页面边界start &= 0xfffff000; // 0xfffff000 是页面大小的掩码，用于向下舍入// 获取当前进程数据段的基址，并加到start上// 因为addr是相对于数据段基址的start += get_base(current->ldt[2]);// 开始循环，直到处理完整个指定的内存区域while (size > 0) {// 从size中减去一个页面的大小（4096字节）size -= 4096;// 调用write_verify来验证并触发start指向的页面// 如果页面未映射到物理内存，会触发缺页异常，导致页面被分配write_verify(start);// 将start增加一个页面大小，移至下一个页面start += 4096;}
}

copy_mem

int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)
  • copy_mem 函数用于为新进程复制父进程的内存。它设置了新进程的数据和代码段的基址，并复制页表。
int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)
{// 定义用于存储旧的和新的数据、代码段基址以及它们的限制unsigned long old_data_base,new_data_base,data_limit;unsigned long old_code_base,new_code_base,code_limit;// 获取代码段和数据段的限制code_limit = get_limit(0x0f);data_limit = get_limit(0x17);// 获取当前进程（父进程）的代码段和数据段基址old_code_base = get_base(current->ldt[1]);old_data_base = get_base(current->ldt[2]);// 检查是否支持代码和数据分离（I&D），Linux 0.11不支持if (old_data_base != old_code_base)panic("We don't support separate I&D");// 检查数据限制是否小于代码限制if (data_limit < code_limit)panic("Bad data_limit");// 为新进程计算新的代码和数据段基址new_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000;// 设置新进程的起始代码地址p->start_code = new_code_base;// 在局部描述符表中设置新进程的代码和数据段基址set_base(p->ldt[1],new_code_base);set_base(p->ldt[2],new_data_base);// 复制页表。如果复制失败，则清理并返回错误if (copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit)) {free_page_tables(new_data_base,data_limit);return -ENOMEM;}// 成功复制内存，返回0return 0;
}

copy_process

int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,long ebx,long ecx,long edx,long fs,long es,long ds,long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)
  • copy_process 是创建新进程的主要函数。它执行以下步骤：
    • 分配任务结构：首先，为新进程分配 task_struct 结构，并初始化它。
    • 复制进程状态：将当前进程的状态复制到新进程的 task_struct 中。
    • 设置新进程的状态：包括 PID、信号、定时器、CPU 状态等。
    • 保存 CPU 寄存器状态：这些寄存器的值将被用于新进程的初始状态。
    • 处理浮点状态：如果当前进程使用了浮点单元，保存其状态。
    • 复制内存：调用 copy_mem 以复制父进程的内存空间。
    • 复制文件描述符：增加文件描述符和 inode 引用计数，共享文件描述符。
    • 设置 GDT 条目：为新进程在全局描述符表中设置任务状态段和局部描述符表。
    • 设置进程状态为运行：最后将新进程的状态设置为 TASK_RUNNING。
int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,long ebx,long ecx,long edx,long fs,long es,long ds,long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)
{// 分配一个新的任务结构体struct task_struct *p;int i;struct file *f;// 从内存中获取一个空闲页面p = (struct task_struct *) get_free_page();// 如果没有空闲页面，返回错误if (!p)return -EAGAIN;// 在任务数组中存储新任务的指针task[nr] = p;// 复制当前任务的状态到新任务*p = *current;  // 注意：这不会复制监督者栈// 初始化新任务的各项参数p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;p->pid = last_pid;p->father = current->pid;  // 设置父进程IDp->counter = p->priority;  // 初始化执行计数器p->signal = 0;             // 清除信号p->alarm = 0;              // 重置闹钟p->leader = 0;             // 进程领导权不继承p->utime = p->stime = 0;   // 初始化用户和系统时间p->cutime = p->cstime = 0;p->start_time = jiffies;   // 设置开始时间// 初始化任务状态段（TSS）p->tss.back_link = 0;p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;  // 设置内核栈p->tss.ss0 = 0x10;p->tss.eip = eip;                    // 设置指令指针p->tss.eflags = eflags;              // 设置标志寄存器p->tss.eax = 0;                      // 初始化寄存器p->tss.ecx = ecx;p->tss.edx = edx;p->tss.ebx = ebx;p->tss.esp = esp;                    // 设置栈指针p->tss.ebp = ebp;                    // 设置基指针p->tss.esi = esi;p->tss.edi = edi;p->tss.es = es & 0xffff;             // 设置额外段寄存器p->tss.cs = cs & 0xffff;             // 设置代码段寄存器p->tss.ss = ss & 0xffff;             // 设置栈段寄存器p->tss.ds = ds & 0xffff;             // 设置数据段寄存器p->tss.fs = fs & 0xffff;             // 设置fs寄存器p->tss.gs = gs & 0xffff;             // 设置gs寄存器p->tss.ldt = _LDT(nr);p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;// 如果最后使用数学协处理器的任务是当前任务，保存其状态if (last_task_used_math == current)__asm__("clts ; fnsave %0"::"m" (p->tss.i387));// 复制内存页面。如果失败，释放已分配页面并返回错误if (copy_mem(nr,p)) {task[nr] = NULL;free_page((long) p);return -EAGAIN;}// 增加文件描述符的引用计数for (i=0; i<NR_OPEN;i++)if (f=p->filp[i])f->f_count++;// 增加inode的引用计数if (current->pwd)current->pwd->i_count++;if (current->root)current->root->i_count++;if (current->executable)current->executable->i_count++;// 设置全局描述符表（GDT）中的TSS和LDT描述符set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));// 最后，将任务状态设置为运行p->state = TASK_RUNNING;// 返回最后的进程IDreturn last_pid;
}

find_empty_process

int find_empty_process(void)
  • find_empty_process 函数用于在进程表中找到一个空闲的槽位来存放新进程的 task_struct。它确保新进程有一个唯一的 PID。

fork 的整体流程

  1. 进程请求创建：当一个进程调用 fork 系统调用时，内核开始执行创建新进程的过程。

  2. 查找空闲槽位：find_empty_process 函数被调用以在进程表中找到一个空闲位置。

  3. 复制进程状态和内存：copy_process 被调用，执行实际的进程复制。它包括复制 CPU 寄存器状态、内存空间、文件描述符等。

  4. 返回新进程 PID：新进程被创建后，其 PID 被返回给父进程。

int find_empty_process(void)
{int i; // 定义一个循环变量repeat: // 标签用于重复寻找空闲进程槽的操作// 增加 last_pid，并检查是否溢出，如果溢出则重置为1if ((++last_pid) < 0) last_pid = 1;// 遍历所有任务，检查是否有任务使用了当前的 last_pidfor (i = 0; i < NR_TASKS; i++)if (task[i] && task[i]->pid == last_pid) goto repeat;// 如果发现有任务已经使用了这个 PID，则重新开始寻找// 遍历所有任务槽位，寻找一个空闲的槽位for (i = 1; i < NR_TASKS; i++)if (!task[i]) // 如果找到一个空闲的槽位return i; // 返回这个槽位的索引// 如果没有找到空闲槽位，返回错误return -EAGAIN;
}

这个过程实现了 Unix/Linux 系统中的典型的 fork 行为，即通过复制（包括内存空间和进程状态）创建一个新的进程。由于 Linux 0.11 使用了写时复制（copy-on-write）机制，这个过程在内存管理上是高效的。

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