关于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的

本文是关于 fork 和 exec 是如何在 Unix 上工作的。你或许已经知道，也有人还不知道。几年前当我了解到这些时，我惊叹不已。

我们要做的是启动一个进程。我们已经在博客上讨论了很多关于系统调用的问题，每当你启动一个进程或者打开一个文件，这都是一个系统调用。所以你可能会认为有这样的系统调用：

start_process(["ls","-l","my_cool_directory"])

这是一个合理的想法，显然这是它在 DOS 或 Windows 中的工作原理。我想说的是，这并不是 Linux 上的工作原理。但是，我查阅了文档，确实有一个 posix_spawn 的系统调用基本上是这样做的，不过这不在本文的讨论范围内。

fork 和 exec

Linux 上的 posix_spawn 是通过两个系统调用实现的，分别是 fork 和 exec（实际上是 execve），这些都是人们常常使用的。尽管在 OS X 上，人们使用 posix_spawn，而 fork 和 exec 是不提倡的，但我们将讨论的是 Linux。

Linux 中的每个进程都存在于“进程树”中。你可以通过运行 pstree 命令查看进程树。树的根是 init，进程号是 1。每个进程（init 除外）都有一个父进程，一个进程都可以有很多子进程。

所以，假设我要启动一个名为 ls 的进程来列出一个目录。我是不是只要发起一个进程 ls 就好了呢？不是的。

我要做的是，创建一个子进程，这个子进程是我（me）本身的一个克隆，然后这个子进程的“脑子”被吃掉了，变成 ls。

开始是这样的：

my parent

|- me

然后运行 fork()，生成一个子进程，是我（me）自己的一份克隆：

my parent

|- me

|-- cloneof me

然后我让该子进程运行 exec("ls")，变成这样：

my parent

|- me

|-- ls

当 ls 命令结束后，我几乎又变回了我自己：

my parent

|- me

|-- ls(zombie)

在这时 ls 其实是一个僵尸进程。这意味着它已经死了，但它还在等我，以防我需要检查它的返回值（使用 wait 系统调用）。一旦我获得了它的返回值，我将再次恢复独自一人的状态。

my parent

|- me

fork 和 exec 的代码实现

如果你要编写一个 shell，这是你必须做的一个练习。

事实证明，有了 C 或 Python 的技能，你可以在几个小时内编写一个非常简单的 shell，像 bash 一样。（至少如果你旁边能有个人多少懂一点，如果没有的话用时会久一点。）我已经完成啦，真的很棒。

这就是 fork 和 exec 在程序中的实现。我写了一段 C 的伪代码。请记住，fork 也可能会失败哦。

intpid = fork();

// 我要分身啦

// “我”是谁呢？可能是子进程也可能是父进程

if(pid == 0){

// 我现在是子进程

// “ls” 吃掉了我脑子，然后变成一个完全不一样的进程

exec(["ls"])

}elseif(pid == -1){

// 天啊，fork 失败了，简直是灾难！

}else{

// 我是父进程耶

// 继续做一个酷酷的美男子吧

// 需要的话，我可以等待子进程结束

}

上文提到的“脑子被吃掉”是什么意思呢？

进程有很多属性：

打开的文件（包括打开的网络连接）

环境变量

信号处理程序（在程序上运行 Ctrl + C 时会发生什么？）

内存（你的“地址空间”）

寄存器

可执行文件（/proc/$pid/exe）

cgroups 和命名空间（与 Linux 容器相关）

当前的工作目录

运行程序的用户

其他我还没想到的

当你运行 execve 并让另一个程序吃掉你的脑子的时候，实际上几乎所有东西都是相同的！ 你们有相同的环境变量、信号处理程序和打开的文件等等。

唯一改变的是，内存、寄存器以及正在运行的程序，这可是件大事。

为何 fork 并非那么耗费资源（写入时复制）

你可能会问：“如果我有一个使用了 2GB 内存的进程，这是否意味着每次我启动一个子进程，所有 2 GB 的内存都要被复制一次？这听起来要耗费很多资源！”

事实上，Linux 为 fork() 调用实现了写时复制copy on write，对于新进程的 2GB 内存来说，就像是“看看旧的进程就好了，是一样的！”。然后，当如果任一进程试图写入内存，此时系统才真正地复制一个内存的副本给该进程。如果两个进程的内存是相同的，就不需要复制了。

为什么你需要知道这么多

你可能会说，好吧，这些细节听起来很厉害，但为什么这么重要？关于信号处理程序或环境变量的细节会被继承吗？这对我的日常编程有什么实际影响呢？

有可能哦！比如说，在 Kamal 的博客上有一个很有意思的 bug。它讨论了 Python 如何使信号处理程序忽略了 SIGPIPE。也就是说，如果你从 Python 里运行一个程序，默认情况下它会忽略 SIGPIPE！这意味着，程序从 Python 脚本和从 shell 启动的表现会有所不同。在这种情况下，它会造成一个奇怪的问题。

所以，你的程序的环境（环境变量、信号处理程序等）可能很重要，都是从父进程继承来的。知道这些，在调试时是很有用的。