在 Linux 中，進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程的創(chuàng)建過程,，幫助你提高對進程的理解深度。

　　在這篇文章中,，我會用 Nginx 創(chuàng)建 worker 進程的例子作為引入,，然后帶大家了解一些進程的數(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,，你將深度理解進程中的那些關(guān)鍵要素,，諸如進程地址空間、當(dāng)前目錄,、父子進程關(guān)系,、進程打開的文件 fd 表、進程命名空間等,。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)采用的是多進程方式來工作的,，它啟動的時候會創(chuàng)建若干個 worker 進程出來,，來響應(yīng)和處理用戶請求。創(chuàng)建 worker 子進程的源碼位于 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)建進程，創(chuàng)建成功后 Worker 進程就將進入自己的入口函數(shù)中開始工作了,。

　　二,、Linux 中對進程的表示

　　在深入理解進程創(chuàng)建之前，我們先來看一下進程的數(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 進程線程狀態(tài)

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

　　一個任務(wù)（進程或線程）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 后進入  執(zhí)行進行運行,。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)還沒有到達的時候，任務(wù)進入 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài),，任務(wù)被阻塞掉,。

　　當(dāng)?shù)却氖录竭_以后，例如 socket 上的數(shù)據(jù)到達了,。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 中進行了定義,。

　　2.2 進程 ID

　　我們知道，每一個進程都有一個進程 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)識每一個進程而分配給它們的唯一號碼,，稱做進程 ID 號,，簡稱 PID。對于沒有創(chuàng)建線程的進程(只包含一個主線程)來說,，這個 pid 就是進程的 PID,，tgid 和 pid 是相同的。

　　2.3 進程樹關(guān)系

　　在 Linux 下所有的進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 進程，接下來所有的進程都是由這個進程直接或者間接創(chuàng)建的的,。通過 pstree 命令可以查看你當(dāng)前服務(wù)器上的進程樹信息,。

　　那么，這棵進程樹就是由 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 進程調(diào)度優(yōu)先級

　　在 task_struct 中有幾個字段是表示進程優(yōu)先級的,，在進程調(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 進程地址空間

　　對于用戶進程來講,，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)。整個進程的虛擬地址空間部分都是由它來表示的,。

　　進程在運行的時候,，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)核進程、以及用戶進程的內(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 進程文件系統(tǒng)信息（當(dāng)前目錄等）

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

　　2.7 進程打開的文件信息

　　每個進程用一個 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 可以讓一些進程只能看到與自己相關(guān)的一部分資源,，而另外一些進程也只能看到與它們自己相關(guān)的資源，這兩撥進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程的相關(guān)資源指定在同一個 namespace 中,，而進程究竟是屬于哪個 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》這一文中詳細介紹過網(wǎng)絡(luò)命名空間，感興趣的同學(xué)可以詳細閱讀,。

　　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 進程，也了解了進程的數(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（子進程在終止后發(fā)送 SIGCHLD 信號通知父進程）,，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)的每一個細節(jié)。

　　3.1 復(fù)制進程 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

　　由于進程之間都是獨立的,，所以創(chuàng)建出來的新進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 進行各種初始化和拷貝。至此,，新進程有了自己獨立的 files 成員了,。

　　3.3 拷貝 fs_struct

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

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

　　3.4 拷貝 mm_struct

　　前面我們說過,，對于進程來講,，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)前進程地址空間 current->mm 拷貝到新的 mm_struct 對象里了,。

　　地址空間是進程線程最核心的東西,，每個進程都有獨立的地址空間

　　3.5 拷貝進程的命名空間 nsproxy

　　在創(chuàng)建進程或線程的時候，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程號的？在 Linux 內(nèi)部,，為了節(jié)約內(nèi)存,，進程號是通過 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行優(yōu)化內(nèi)存占用的,。

　　3.7 進入就緒隊列

　　當(dāng) copy_process 執(zhí)行完畢的時候，表示新進程的一個新的 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 進程的例子作為引入,，然后帶大家了解一些進程的數(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。

　　今天的進程創(chuàng)建過程就學(xué)習(xí)完了,。不過細心的同學(xué)可能發(fā)現(xiàn)了,，我們這里只介紹了子進程的調(diào)用。但是對于 Nginx 主進程如何加載起來執(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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