在 Linux 中，進(jìn)程是我們非常熟悉的東東了，哪怕是只寫過(guò)一天代碼的人也都用過(guò)它。但是你確定它不是你最熟悉的陌生人？我們今天通過(guò)深度剖析進(jìn)程的創(chuàng)建過(guò)程，幫助你提高對(duì)進(jìn)程的理解深度。
在這篇文章中，我會(huì)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(guò)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(hào)時(shí)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(guò)我們先不著急介紹它，先拿多進(jìn)程服務(wù)中的一個(gè)經(jīng)典例子 - Nginx，來(lái)看看他是如何使用 fork 來(lái)創(chuàng)建 worker 的。
Nginx 服務(wù)采用的是多進(jìn)程方式來(lái)工作的，它啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)創(chuàng)建若干個(gè) worker 進(jìn)程出來(lái)，來(lái)響應(yīng)和處理用戶請(qǐng)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(guò)循環(huán)調(diào)用 ngx_spawn_process 來(lái)創(chuàng)建 n 個(gè) worker 出來(lái)。
在 ngx_spawn_process 中調(diào)用 fork 來(lái)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(duì)進(jìn)程的表示
在深入理解進(jìn)程創(chuàng)建之前，我們先來(lái)看一下進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
在 Linux 中，是用一個(gè) task_struct 來(lái)實(shí)現(xiàn) Linux 進(jìn)程的（其實(shí) Linux 線程也同樣是用 task_struct 來(lái)表示的，這個(gè)我們以后文章單獨(dú)再說(shuō)）。
我們來(lái)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(gè)任務(wù)（進(jìn)程或線程）剛創(chuàng)建出來(lái)的時(shí)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(gè)事件的時(shí)候，例如阻塞式 read 某個(gè) socket 上的數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)還沒有到達(dá)的時(shí)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(huì)查看 socket 上阻塞的等待任務(wù)隊(duì)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(gè)狀態(tài)之間循環(huán)，直到退出。
一個(gè)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(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程 id 的概念。在 task_struct 中有兩個(gè)相關(guān)的字段，分別是 pid 和 tgid。
其中 pid 是 Linux 為了標(biāo)識(shí)每一個(gè)進(jìn)程而分配給它們的唯一號(hào)碼，稱做進(jìn)程 ID 號(hào)，簡(jiǎn)稱 PID。對(duì)于沒有創(chuàng)建線程的進(jìn)程(只包含一個(gè)主線程)來(lái)說(shuō)，這個(gè) 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(guò)一棵樹來(lái)管理的。在操作系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)創(chuàng)建 init 進(jìn)程，接下來(lái)所有的進(jìn)程都是由這個(gè)進(jìn)程直接或者間接創(chuàng)建的的。通過(guò) 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(lái)表示的。這幾個(gè)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(jí)
在 task_struct 中有幾個(gè)字段是表示進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的，在進(jìn)程調(diào)度的時(shí)候會(huì)根據(jù)這幾個(gè)字段來(lái)決定優(yōu)先讓哪個(gè)任務(wù)（進(jìn)程或線程）開始執(zhí)行。
static_prio: 用來(lái)保存靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，可以調(diào)用 nice 系統(tǒng)直接來(lái)修改取值范圍為 100~139
rt_priority: 用來(lái)保存實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),取值范圍為 0~99
prio: 用來(lái)保存動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)
normal_prio: 它的值取決于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)和調(diào)度策略
2.5 進(jìn)程地址空間
對(duì)于用戶進(jìn)程來(lái)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(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間部分都是由它來(lái)表示的。
進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)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(guò) mm_struct 來(lái)進(jìn)行內(nèi)存查找和尋址的。這個(gè)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(gè) mm_struct 和地址空間、頁(yè)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(guò)直接計(jì)算得出物理內(nèi)存地址，并不需要復(fù)雜的頁(yè)表計(jì)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(duì)于內(nèi)核線程來(lái)說(shuō)，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(lái)描述的，它的定義位于 include/linux/fs_struct.h 文件中。
通過(guò)以上代碼可以看出，在 fs_struct 中包含了兩個(gè) path 對(duì)象，而每個(gè) path 中都指向了一個(gè) struct dentry。在 Linux 內(nèi)核中，denty 結(jié)構(gòu)是對(duì)一個(gè)目錄項(xiàng)的描述。
拿 pwd 來(lái)舉例，該指針指向的是進(jìn)程當(dāng)前目錄所處的 denty 目錄項(xiàng)。假如我們?cè)?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(shí)候，都是通過(guò)訪問(wèn) pwd 這個(gè)對(duì)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(gè)進(jìn)程用一個(gè) files_struct 結(jié)構(gòu)來(lái)記錄文件描述符的使用情況， 這個(gè) 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(gè)數(shù)組。這個(gè)數(shù)組的下標(biāo)就是文件描述符，其中 0、1、2 三個(gè)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(cuò)誤。這就是你在 shell 命令中經(jīng)常看到的 2>&1 的由來(lái)。這幾個(gè)字符的含義就是把標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤也一并打到標(biāo)準(zhǔn)輸出中來(lái)。
在數(shù)組元素中記錄了當(dāng)前進(jìn)程打開的每一個(gè)文件的指針。這個(gè)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(gè) socket。
2.8 namespaces
在 Linux 中，namespace 是用來(lái)隔離內(nèi)核資源的方式。通過(guò) 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(duì)方的存在。
具體的實(shí)現(xiàn)方式是把一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程的相關(guān)資源指定在同一個(gè) namespace 中，而進(jìn)程究竟是屬于哪個(gè) namespace，都是在 task_struct 中由 *nsproxy 指針表明了這個(gè)歸屬關(guān)系。
命名空間包括PID命名空間、掛載點(diǎn)命名空間、網(wǎng)絡(luò)命名空間等多個(gè)。飛哥在咱們「開發(fā)內(nèi)功修煉」前面的一篇文章《動(dòng)手實(shí)驗(yàn)+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(guò)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(lái)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?cè)賮?lái)看看 fork 系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)部邏輯。
這個(gè) fork 在內(nèi)核中是以一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)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(shí)傳入的第一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)是一個(gè) flag 選項(xiàng)。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(gè) SIGCHLD（子進(jìn)程在終止后發(fā)送 SIGCHLD 信號(hào)通知父進(jìn)程），并沒有傳 CLONE_FS 等其它 flag。
在 do_fork 的實(shí)現(xiàn)中，核心是一個(gè) copy_process 函數(shù)，它以拷貝父進(jìn)程的方式來(lái)生成一個(gè)新的 task_struct 出來(lái)。
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(duì)列中，等待調(diào)度器調(diào)度執(zhí)行。
copy_process 的代碼很長(zhǎng)，我對(duì)其進(jìn)行了一定程度的精簡(jiǎn)，參加下面的代碼。
可見，copy_process 先是復(fù)制了一個(gè)新的 task_struct 出來(lái)，然后調(diào)用 copy_xxx 系列的函數(shù)對(duì) task_struct 中的各種核心對(duì)象進(jìn)行拷貝處理，還申請(qǐng)了 pid。接下來(lái)我們分小節(jié)來(lái)查看該函數(shù)的每一個(gè)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(shí)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(huì)申請(qǐng)一個(gè)新的 task_struct 內(nèi)核對(duì)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(huì)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(duì)象。
3.2 拷貝 files_struct
由于進(jìn)程之間都是獨(dú)立的，所以創(chuàng)建出來(lái)的新進(jìn)程需要拷貝一份獨(dú)立的 files 成員出來(lái)。
我們看 copy_files 是如何申請(qǐng)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(gè)引用計(jì)數(shù)就返回了。前面我們說(shuō)了，do_fork 被調(diào)用時(shí)并沒有傳這個(gè)標(biāo)記。所以還是會(huì)執(zhí)行到 dup_fd 函數(shù)：
這個(gè)函數(shù)就是到內(nèi)核中申請(qǐng)一塊內(nèi)存出來(lái)，保存 files_struct 使用。然后對(duì)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(dú)立的 files 成員了。
3.3 拷貝 fs_struct
同樣，新進(jìn)程也需要一份獨(dú)立的文件系統(tǒng)信息 - fs_struct 成員的。
在創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候，沒有傳遞 CLONE_FS 這個(gè)標(biāo)志，所會(huì)進(jìn)入到 copy_fs_struct 函數(shù)中申請(qǐng)新的 fs_struct 并進(jìn)行賦值。
3.4 拷貝 mm_struct
前面我們說(shuō)過(guò)，對(duì)于進(jìn)程來(lái)講，地址空間是一個(gè)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(huì)新建一個(gè)地址空間。
do_fork 被調(diào)用時(shí)也沒有傳 CLONE_VM，所以會(huì)調(diào)用 dup_mm 申請(qǐng)一個(gè)新的地址空間出來(lái)。
在 dup_mm 中，通過(guò) allocate_mm 申請(qǐng)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(duì)象里了。
地址空間是進(jìn)程線程最核心的東西，每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)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(shí)候，還可以讓內(nèi)核幫我們創(chuàng)建獨(dú)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(huì)創(chuàng)建。新舊進(jìn)程仍然復(fù)用同一套命名空間對(duì)象。
注意下，在調(diào)用 alloc_pid 的時(shí)候，其參數(shù)傳遞的是新進(jìn)程的 pid namespace。我們來(lái)深看一下 alloc_pid 的執(zhí)行邏輯。
這里的 PID 并不是一個(gè)整數(shù)，而是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所以先試用 kmem_cache_alloc 把它申請(qǐng)出來(lái)。接下來(lái)調(diào)用 alloc_pidmap 到 pid 命名空間中申請(qǐng)一個(gè) pid 號(hào)出來(lái)，申請(qǐng)完后賦值記錄。
回顧我們開篇提到的一個(gè)問(wèn)題：操作系統(tǒng)是如何記錄使用過(guò)的進(jìn)程號(hào)的？在 Linux 內(nèi)部，為了節(jié)約內(nèi)存，進(jìn)程號(hào)是通過(guò) bitmap 來(lái)管理的。
在每一個(gè) pid 命名空間內(nèi)部，會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)頁(yè)面來(lái)作為 bitmap。其中每一個(gè) bit 位（注意是 bit 位，不是字節(jié)）的 0 或者 1 的狀態(tài)來(lái)表示當(dāng)前序號(hào)的 pid 是否被占用。
在各種語(yǔ)言中，一般一個(gè) int 都是 4 個(gè)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(gè) bit 就可以表示一個(gè)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(huì)用到這種思想來(lái)進(jìn)行優(yōu)化內(nèi)存占用的。
3.7 進(jìn)入就緒隊(duì)列
當(dāng) copy_process 執(zhí)行完畢的時(shí)候，表示新進(jìn)程的一個(gè)新的 task_struct 對(duì)象就創(chuàng)建出來(lái)了。接下來(lái)內(nèi)核會(huì)調(diào)用 wake_up_new_task 將這個(gè)新創(chuàng)建出來(lái)的子進(jìn)程添加到就緒隊(duì)列中等待調(diào)度。
等操作系統(tǒng)真正調(diào)度開始的時(shí)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(guò)程。
在 fork 創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候，地址空間 mm_struct、掛載點(diǎn) fs_struct、打開文件列表 files_struct 都要是獨(dú)立擁有的，所以都去申請(qǐng)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(gè)命名空間，所以 nsproxy 還仍然是共用的。
其中 mm_struct 是一個(gè)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(lái)表示的。對(duì)于內(nèi)核線程來(lái)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(lái)管理使用和為使用的 pid 號(hào)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(chǔ)的足夠緊湊，遍歷起來(lái)也是非常的快。一方面原因是數(shù)據(jù)小，加載起來(lái)快。另外一方面是會(huì)加大提高 CPU 緩存的命中率，訪問(wèn)非常快。
今天的進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)程就學(xué)習(xí)完了。不過(guò)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(duì)于 Nginx 主進(jìn)程如何加載起來(lái)執(zhí)行的還沒有講到。我們將來(lái)還會(huì)展開敘述，敬請(qǐng)期待！
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