爲什麼fork（）以這種方式工作

Question

因此，我已經使用了fork()，我知道它的作用。作爲一個初學者，我非常害怕它（但我仍然不完全理解它）。您可以在網上找到的fork()的一般說明是，它複製當前進程並分配不同的PID，父PID，並且該進程將具有不同的地址空間。但是，所有這些都是好的，但是，考慮到這個功能描述，初學者會想「爲什麼這個功能如此重要......我爲什麼要複製我的過程？」。所以我很想知道，最終我發現，您可以通過execve()家族從當前流程中調用其他流程。

我仍然不明白的是爲什麼你必須這樣做？最順理成章的事情是有，你可以調用像

create_process("executable_path+name",params..., more params); 

這將產生新的進程，並開始在主開始運行它（），並返回新的PID功能。

讓我感到困惑的是fork/execve解決方案正在進行可能不需要的工作。如果我的流程使用大量內存會怎麼樣？內核是否複製我的頁面表等。我相信它沒有真正分配真實的內存，除非我已經觸及它。另外，如果我有線程會發生什麼？在我看來，這太亂了。

幾乎所有fork的描述都說它只是複製進程，新進程在fork()調用後開始運行。這確實是發生了什麼，但爲什麼會發生這種情況，爲什麼fork/execve是產生新進程的唯一方法，以及從當前創建新進程的最普通unix方式是什麼？有沒有其他更有效的方法來產生過程？**這不需要複製更多的內存。

This同一個問題線程會談，但我發現它不是中規中矩：

謝謝。

Answer 1

那麼就分頁/虛擬內存而言，有些技術中fork（）並不總是複製整個進程的地址空間。在寫分支時，分支進程獲取與其父進程相同的地址空間，然後僅複製被更改的一部分空間（通過任一進程）。

Answer 2

看看spawn和朋友。

Answer 3

請記住，fork很早就在Unix（早些時候可能在之前）發明的今天看起來很小（例如64K字節的內存）的機器上。

它通過最基本的可能行動提供基本機制而不是政策的整體（原始）理念更爲相位。

fork只是創建一個新的過程，最簡單的思維方式就是克隆當前過程。所以語義是非常自然的，它是最簡單的機制。

其他系統調用（execve）負責加載一個新的可執行文件，等..

將它們分開（並且還提供pipe和dup2系統調用）給出了很大的靈活性。

並且在當前的系統上，fork被非常有效地實現（通過寫入分頁技術的懶惰拷貝）。衆所周知，fork機制使得Unix進程的創建速度非常快（例如，比Windows或VAX/VMS更快，其中系統調用的創建過程與您提出的更類似）。

還有vfork系統調用，我不打擾使用。

而且posix_spawn API比fork或單獨execve要複雜得多，所以說明fork更簡單...

Answer 4

當fork創建通過複製當前進程的新工藝，它執行時拷貝寫。這意味着新進程的內存將與父進程共享，直到它被更改。當內存改變時，內存被複制以確保每個進程都有自己的內存有效副本。在fork之後執行execve時，沒有內存副本，因爲新進程只是加載一個新的可執行文件，因此新的內存空間。

至於爲什麼要這樣做的問題，我不確定，但它似乎是Unix方式的一部分 - 做一件好事。該操作不是創建一個創建新進程並加載新可執行文件的函數，而是分成兩個函數。這給了開發者最大的靈活性。儘管我自己還沒有使用過任何一種功能......

Answer 5

假設底層實現使用寫入時複製尋址系統，fork（）可以用很少的內存分配來實現。通過該優化來實現create_process函數是不可能的。

Answer 6

「fork（）」是一個傑出的創新，它解決了單個API的全部問題。它是在多處理不常見的時候發明的（在我們今天使用的多處理之前，這種處理大約有20年）。

Answer 7

使用fork的主要原因是執行速度。

如果您按照您的建議使用一組參數啓動了流程的新副本，則新流程需要解析這些參數並重復父流程所完成的大部分處理。使用「fork（）」，父進程堆棧的完整副本立即可用於孩子，並且所有內容都被解析並格式化。

此外，在大多數情況下，程序將是「.so」或「.dll」，因此可執行指令將不會被複制，只有堆棧和堆存儲將被複制。

Answer 8

正如其他人所說，fork實施得非常快，所以這不成問題。但爲什麼不是像create_process()這樣的功能？答案是：靈活性的簡單性。 全部 unix中的系統調用被編程爲只做一件事。像create_process這樣的函數可以做兩件事：創建一個進程並在其中加載一個二進制文件。

每當您嘗試並行化事物時，都可以使用線程 - 或使用fork()打開的進程。在大多數情況下，您通過fork()打開n進程，然後使用IPC機制在這些進程之間進行通信和同步。一些IPC堅持在全球空間中存在變數。

實施例與管道：

• 創建管
• 叉它繼承的管狀手柄
• 孩子關閉輸入側
• 父關閉輸出側

子

Impossible without fork() ...

另一個重要的事實是整個Unix API只有一些功能。每個程序員都可以輕鬆記住使用過的函數。但是請參閱Windows API：數以千計的功能是人們無法想起的。

所以總結起來，再說一遍：簡單靈活

Answer 9

所以，你主要關注的是：叉（）導致不必要的內存複製。

答案是：不，沒有記憶浪費。總之，fork（）是在內存資源非常有限的情況下誕生的，所以沒有人會考慮像這樣浪費它。

儘管每個進程都有自己的地址空間，但物理內存頁面和進程的虛擬內存頁面之間沒有一對一的映射關係。相反，可以將一頁物理內存映射到多個虛擬頁面（有關更多詳細信息，請搜索CPU TLB）。

因此，當您使用fork（）創建新進程時，它們的虛擬地址空間被映射到相同的物理內存頁面。沒有內存拷貝是必需的。這也意味着沒有重複使用的庫，因爲它們的代碼段標記爲只讀。

實際內存複製僅在父進程或子進程修改某個內存頁面時發生。在這種情況下，新的物理內存頁面被分配並映射到修改頁面的進程的虛擬地址空間。

Answer 10

這是一個很好的問題。我不得不在源代碼中進行一些挖掘，看看究竟發生了什麼。

fork（）通過複製調用過程來創建一個新進程。

在Linux下，fork（）是使用寫時複製頁面實現的，因此唯一的代價是複製父頁表所需的時間和內存，併爲子項創建獨特的任務結構。

新進程稱爲子進程，與調用進程完全相同（稱爲父進程）。不包括：

• 孩子有其自己唯一的進程ID，並且此PID不匹配 任何現有進程組的ID。
• 孩子的父進程ID與父進程ID相同。
• 孩子不繼承父母的記憶鎖。
• 處理資源利用率和CPU時間計數器在子中重置爲零 。
• 孩子的待決信號集最初是空的。
• 該子項不會從其父項繼承信號量調整。
• 孩子不從其父母繼承記錄鎖。
• 孩子不從其父母繼承定時器。
• 該子項不從其父項繼承未完成的異步I/O操作 ，也不從其父項繼承任何異步I/O上下文。

結論：叉

主要目的是分裂的父母進程的任務分成更小的子任務，而不會影響父母的唯一的任務結構。這就是叉克隆現有流程的原因。

來源：

http://www.quora.com/Linux-Kernel/After-a-fork-where-exactly-does-the-childs-execution-start http://learnlinuxconcepts.blogspot.in/2014/03/process-management.html

Answer 11

這是由於歷史的原因。截至https://www.bell-labs.com/usr/dmr/www/hist.html解釋，UNIX很早就沒既無fork()也不exec*()，殼執行的命令的樣子：

• 做必要的初始化（開標準輸入/輸出）。
• 閱讀命令行。
• 打開命令，加載一些引導代碼並跳轉到它。
• 引導程序代碼讀取打開的命令（覆蓋shell的內存）並跳轉到它。
• 一旦命令結束，它會調用exit()，然後通過重新加載外殼（覆蓋命令的內存），並跳轉到它，回去工作步驟1

從那裏，fork()是一個易於添加（27條裝配線），重用其餘的代碼。

在Unix的發展階段，執行命令變成了：

• 閱讀的命令行。
• fork()一個子進程，並等待它（通過發送一條消息給它）。
• 子進程加載命令（覆蓋孩子的記憶），並跳轉到它。
• 一旦命令結束，它會調用exit()，現在更簡單了。它只是清理了它的流程條目，並放棄了控制權。

最初，fork()沒有做寫上覆制。由於這使得fork()非常昂貴，並且fork()經常用於產生新的進程（因此經常緊接着是exec*()），fork()的優化版本出現了：vfork()它共享父和子之間的內存。在那些vfork()的實施中，父母將被暫停，直到兒童exec*()'ed或_exit()'編輯，從而放棄父母的記憶。後來，fork()被優化，以便在寫入時進行復制，僅當父母和子女之間的差異開始時才複製內存頁面。後來又看到了對MMU系統端口的重新興趣（例如：如果你有一個ADSL路由器，它可能在一個MMU MIPS CPU上運行Linux），它不能進行COW優化，而且不能支持fork()'ed有效地處理。

在fork()效率低下的其它來源，它最初可以複製地址空間（和頁表）的母公司，這可能使運行從龐大的計劃短期課程相對緩慢，或可能使OS否認fork()思維有可能沒有足夠的內存（要解決這個問題，可以增加交換空間，或者更改操作系統的內存過量使用設置）。作爲一個軼事，Java 7使用vfork()/posix_spawn()來避免這些問題。

另一方面，fork()使創建幾個相同過程的實例非常高效：例如：一個Web服務器可能有幾個相同的進程服務於不同的客戶端。其他平臺更傾向於使用線程，因爲產生不同進程的成本比重複當前進程的成本要大得多，這可能比產生新線程稍微大一點。這是不幸的，因爲共享的所有線程都是錯誤的誘因。

Answer 12

你可以想到這有點像在Windows中產生一個線程，除了進程不共享除文件句柄，共享內存和其他明確可繼承的東西之外的資源。因此，如果您有新任務要做，則可以在克隆負責新任務時分叉和一個進程繼續其原始作業。

如果您想要執行並行計算，您的進程可以將其自身分割爲循環上方的多個克隆。每個克隆都會執行計算的一個子集，而父級則等待它們完成。操作系統確保它們可以並行運行。在Windows中，您可以需要使用OpenMP才能獲得相同的可表達性。

如果您需要閱讀或寫入文件，但無法等待，您可以分叉並且您的克隆執行I/O，同時繼續執行原始任務。在Windows上，你可能會考慮產生線程或者在很多情況下使用重疊的I/O，在Unix中一個簡單的fork就可以完成。特別是，進程並不像線程那樣具有相同的可調度性問題。這在32位系統上尤其如此。只是分叉比處理錯綜複雜的I/O更加方便。雖然進程擁有自己的內存空間，但線程仍處於相同的狀態，因此對於應該考慮放入32位進程的線程數有限制。使用fork製作32位服務器應用程序非常簡單，而使用線程製作32位服務器應用程序可能是一場噩夢。所以，如果你在32位Windows上編程，你將不得不求助於其他解決方案，如重疊I/O，這是一個PITA的工作。

因爲進程不會像線程一樣共享全局資源（例如malloc中的全局鎖），所以這是更具可擴展性的。雖然線程經常會彼此阻塞，但進程獨立運行。

在Unix上，因爲fork爲您的進程創建寫時複製克隆，所以它不會比在Windows中產生新線程更重量級。

如果您處理的是解釋型語言，通常有一個全局解釋器鎖（Python，Ruby，PHP ...），那麼賦予您fork功能的操作系統是必不可少的。否則，您利用多個處理器的能力將受到更多限制。

另一件事就是在這裏有一個安全問題。進程不共享內存空間，不能混淆每個其他內部細節。這導致更高的穩定性。如果您有一臺使用線程的服務器，則一個線程中的崩潰將導致整個服務器應用程序崩潰。分叉崩潰只會取消分叉克隆。這也使錯誤處理更加簡化。分叉克隆通常已經足夠，因爲它對原始應用程序沒有任何影響。

還有一個安全問題。如果分叉進程注入惡意代碼，則不會進一步影響父級。現代的網頁瀏覽器利用這個例如保護一個標籤與另一個標籤。如果您有叉式系統調用，所有這些都可以方便編程。

Answer 13

其他的答案已經做了解釋爲什麼fork比它似乎更快了，怎麼了最初來存在的一個好工作。但是，保持fork + exec組合也是一個很好的例子，這就是它提供的靈活性。

通常情況下，產卵一個子進程的時候，也有執行兒童前採取的準備步驟。例如：您可以使用pipe（讀取器和寫入器）創建一對管道，然後將子進程的stdout或stderr重定向到寫入器，或者將讀取器用作進程的stdin或任何其他文件描述符。或者，您可能需要設置環境變量（但僅限於小孩）。或者使用setrlimit設置資源限制來限制孩子可以使用的資源量（不限制父母）。或用setuid/seteuid更改用戶（不更改父級）。等等等等

當然，你可以做到這一切與一個假想create_process功能。但是，這是一個需要覆蓋的東西！爲什麼不提供運行的靈活性fork，做任何你想設置的孩子，然後運行exec？

此外，有時你實際上並不需要一個子進程可言。如果您當前的程序（或腳本）僅用於執行這些設置步驟中的一部分，並且它將要執行的最後一件事是運行新流程，那麼爲什麼有兩個流程呢？您可以使用exec來替換當前進程，釋放自己的內存和PID。

的分岔還允許有關只讀數據集一些有用的行爲。例如，你可以有一個父進程來收集和索引大量的數據，然後派生出子工來根據這些數據執行遍歷和計算。父母不需要將它保存在任何地方，孩子們不需要閱讀它，並且不需要對共享內存做任何複雜的工作。 （例如：有些數據庫使用這種方式將子內存數據庫轉儲到磁盤，而不會阻塞父進程。）

上面還包括任何讀取配置，數據庫，和/或一組代碼文件，然後繼續分離子進程以處理請求並更好地使用多核CPU。這包括web服務器，但也包括web（或其他）應用程序本身，特別是如果這些應用程序只是在閱讀和/或編譯更高級代碼時花費大量啓動時間。

的分岔，也可以來管理內存，並避免碎片，特別是對於使用自動內存管理（垃圾收集），並沒有對他們的記憶佈局直接控制高級語言的有效途徑。如果您的進程短暫地需要大量內存用於特定操作，則可以進行分叉並執行該操作，然後退出，釋放剛剛分配的所有內存。相比之下，如果您在父級執行操作，則可能會在整個過程中持續存在大量內存碎片 - 對於長時間運行的進程來說不是很好。

最後：一旦你接受fork和exec兩個都有自己的用法，相互獨立，問題就變成了 - 爲什麼還要創建一個單獨的函數來結合這兩個函數呢？據說Unix的理念是讓它的工具「做一件事，做得很好」。通過將fork和exec作爲單獨的構建塊 - 並使每個構建塊儘可能快速和高效 - 它們允許比單個功能更具靈活性。