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Linux 中进程通过 fork() 被创建时，它差不多是和父进程一样的，它得到父进程的地址空间拷贝，运行和父进程一样的代码，从 fork() 的后面开始执行，父进程和子进程共享代码页，但子进程的 data 页是独立的（包括 stack 和 heap）。
早期的 Linux kernel 并不支持多线程的程序，从 kernel 来看，一个多线程的程序只是一个普通的进程，它的多个执行流应该完全在 user mode 来完成创建、处理、调度等操作，例如使用 POSIX pthread 库。当然这样的实现是无法让人满意的，Linux 为此使用轻量级进程为多线程程序提供更好的支持，两个轻量级进程可以共享资源（例如：地址空间、打开的文件等等），一个比较简单的方法是将为每个线程关联一个轻量级进程，这样每个线程可以被 kernel 单独调度，使用 Linux 轻量级进程的库有：LinuxThreads、NPTL、NGPT 等。Linux kernel 同时也支持线程组（可以理解为轻量级进程组）的概念。
1、进程描述符：
进程描述符由 task_struct 结构来表示，一般来说，每个可以被独立调度的执行上下文都必须有自己的进程描述符，因此尽管轻量级进程共享了很大一部分 kernel 数据结构，它也必须有自己的 task_struct。task_struct 中包含关于一个进程的差不多所有信息，它定义在 include/linux/sched.h 文件中，你会看到这是非常大的结构，其中还包含指向其它结构的指针。访问进程自身的 task_struct 结构，使用宏操作 current。
task_struct 中的 struct mm_struct *mm 即指向进程的地址空间。task_struct 的 state 字段表示进程的运行状态，取值有 TASK_RUNNING（正在运行或正在队列中等待运行，进程如果在用户空间只能为此状态）、TASK_INTERRUPTIBLE（可响应信号）、TASK_UNINTERRUPTIBLE（不响应信号）、TASK_STOPED 等，另外 state 还有特殊的两个值是 EXIT_ZOMBIE（僵尸进程） 和 EXIT_DEAD（进程将被系统移除）。kernel 提供 set_task_state 宏修改进程状态，set_task_state 最终调用 set_mb，set_current_state 用于当前进程的状态。task_struct 的 pid 字段就是咱们喜闻乐见的进程 ID 了。
这是一个典型的 Linux 进程状态机图：
POSIX 1003.1c 标准规定一个多线程程序的每个线程都应该有相同的 PID，这样的好处是例如发一个信号给一个 PID，一个线程组里的所有线程都能收到。同一线程组中的线程有相同的线程组号（Thread Group ID），线程组组号放在 task_struct 的 tgid 成员变量中，一般是线程组里的第一个轻量级进程的 PID。特别需要注意 getpid() 系统调用返回的就是 tgid 的值，而不是 pid 值，这样一个多线程程序的所有线程可以共享一个 PID。
对每个进程，kernel 在通过 slab 分配器分配 task_struct 时，通常是实际分配了两个连续的物理页面（8KB），以 thread_union 联合表示，其中包括一个 thread_info 结构（其 task 成员是指向 task_struct 的指针）以及 kernel 模式的进程堆栈。esp CPU 堆栈指针即表示此进程堆栈的栈顶地址，进程从用户模式切换到 kernel 模式时，kernel 堆栈会被清空。为了效率考虑，kernel 会将这两个连续的物理页面的第一个页面按 2^13（也就是 8KB） 对齐，为了避免内存较少时产生问题，kernel 提供配置选项（就是下面的 THREAD_SIZE 了）可以将 thread_info 和堆栈包含在一个页面也就是 4KB 的内存区域里。一般来说，8KB 的堆栈对于内核程序已经够用。
看看 Linux 2.6.34 中 thread_union 的定义：
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
由于 thread_info 和内核堆栈是合并在连续的页面里的，kernel 就可以从 esp 指针得到 thread_info 结构地址，这是通过 current_thread_info 函数来实现的。
/* how to get the current stack pointer from C */
register unsigned long current_stack_pointer asm("esp") __used;
/* how to get the thread information struct from C */
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
return (struct thread_info *)
(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}
假设 thread_union 是 8KB 大小，也即 2^13，将 esp 的最低 13 位屏蔽掉即可得到 thread_info 的地址，如果是 4KB 的栈大小，屏蔽掉最低 12 位即可（和上面的代码一致），这样通过 current_thread_info()->task 就能得到当前的 task_struct，这就是 current 宏的实现了。
#define get_current() (current_thread_info()->task) #define current get_current()
系统中进程的列表保存在 init_task 所在的双向链表中，task_struct 的 tasks 字段就是 list_head，init_task 表示的就是 PID 为 0 的 swapper 进程（或者叫 idle 进程），其 tasks 会依次指向下一个 task_struct，PID 为 1 的进程就是 init 进程，这两个进程都由 kernel 来创建。
而关于可以运行的进程的调度，Linux 2.6.34 和 ULK 上说的已经有很大的不同了。2.6.34 上加上了 struct sched_class 结构体表示不同类型的调度算法类，目前 2.6.34 上实现了三种：Completely Fair Scheduling (CFS) Class（完全公平算法，见 kernel/sched_fair.c）、Real-Time Scheduling Class（实时算法，见 kernel/sched_rt.c）和 idle-task scheduling class（见 kernel/sched_idletask.c），这三个源文件都被 include 在 kernel/sched.c 中进行编译了。CFS Class 使用 sched_entity 结构作为调度实体，其中包含权重、运行时间等信息，比 RT Class 复杂，其中还有专门的红黑树。RT Class 使用 sched_rt_entity 作为调度实体。
每个 task_struct 中都包含了 sched_entity 和 sched_rt_entity 这两个字段，sched_class 中则有 enqueue_task、dequeue_task 等函数指针指向对应调度算法中的实现函数，enqueue_task 将进程加入运行队列，dequeue_task 将进程从队列中移除，由于这段变化较大而且比较复杂，有关这三种调度算法的具体实现以后再来介绍了。
task_struct 的 real_parent 字段指向创建该进程的进程（如果父进程已不存在则为 init 进程），parent 指向当前进程的父进程，children 为该进程子进程列表，sibling 为该进程的兄弟进程列表，group_leader 字段指向该进程的线程组长。与 ULK 不同的是，ULK 中 ptrace_children 为被调试器 trace 的该进程的子进程列表，2.6.34 中 ptraced 字段包含该进程原本的子进程和 ptrace attach 的目标进程，ptrace_list 改为 ptrace_entry。另外 2.6.34 kernel 中已经引入 namespace 的概念，获得进程组 ID 和会话期 ID 的方式也于 ULK 中的有不少区别。
kernel 中进程的 PID 散列表存在 pid_hash 中以加快根据 PID 搜索 task_struct 的速度，pidhash_init 函数初始化此 PID 散列表，由于 2.6.34 中已有 namespace，pid_hashfn 也由原来的一个参数变为两个参数（增加一个 ns 参数表示哪个 namespace）。Linux kernel 也增加了 pid 和 upid 两个结构体，pid 是内核对进程 PID 的内部表示（惟一的），upid 是进程在特定的 namespace 中看到的 PID。
2、进程创建：
Linux 中使用 fork() 函数创建新进程，父进程的地址空间会复制给子进程，为了效率考虑，这个复制通过 COW（Copy-on-write） 来实现，真正有写操作时才会复制。fork()、vfork()、__clone() 函数都是通过 clone() 系统调用来实现的，clone() 系统调用最终调用 do_fork()。需要注意的是 vfork() 的结果是子进程完全运行在父进程的地址空间上，父进程的页表项并不会被拷贝，而且子进程优先运行，父进程会一直阻塞直至子进程结束（调用 exec 执行新程序或者 _exit 退出，不可调用 exit 退出）。do_fork 函数定义在 kernel/fork.c 文件中，do_fork() 会再调用 copy_process() 函数。
可以看到 copy_process 是相当长的一个函数：
static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
struct pt_regs *regs,
unsigned long stack_size,
int __user *child_tidptr,
struct pid *pid,
int trace)
{
int retval;
struct task_struct *p;
int cgroup_callbacks_done = 0;
if ((clone_flags & (CLONE_NEWNS|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWNS|CLONE_FS))
return ERR_PTR(-EINVAL);
/*
* Thread groups must share signals as well, and detached threads
* can only be started up within the thread group.
*/
if ((clone_flags & CLONE_THREAD) && !(clone_flags & CLONE_SIGHAND))
return ERR_PTR(-EINVAL);
/*
* Shared signal handlers imply shared VM. By way of the above,
* thread groups also imply shared VM. Blocking this case allows
* for various simplifications in other code.
*/
if ((clone_flags & CLONE_SIGHAND) && !(clone_flags & CLONE_VM))
return ERR_PTR(-EINVAL);
/*
* Siblings of global init remain as zombies on exit since they are
* not reaped by their parent (swapper). To solve this and to avoid
* multi-rooted process trees, prevent global and container-inits
* from creating siblings.
*/
if ((clone_flags & CLONE_PARENT) &&
current->signal->flags & SIGNAL_UNKILLABLE)
return ERR_PTR(-EINVAL);
retval = security_task_create(clone_flags);
if (retval)
goto fork_out;
retval = -ENOMEM;
p = dup_task_struct(current);
if (!p)
goto fork_out;
ftrace_graph_init_task(p);
rt_mutex_init_task(p);
#ifdef CONFIG_PROVE_LOCKING
DEBUG_LOCKS_WARN_ON(!p->hardirqs_enabled);
DEBUG_LOCKS_WARN_ON(!p->softirqs_enabled);
#endif
retval = -EAGAIN;
if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) && !capable(CAP_SYS_RESOURCE) &&
p->real_cred->user != INIT_USER)
goto bad_fork_free;
}
retval = copy_creds(p, clone_flags);
if (retval < 0)
goto bad_fork_free;
/*
* If multiple threads are within copy_process(), then this check
* triggers too late. This doesn't hurt, the check is only there
* to stop root fork bombs.
*/
retval = -EAGAIN;
if (nr_threads >= max_threads)
goto bad_fork_cleanup_count;
if (!try_module_get(task_thread_info(p)->exec_domain->module))
goto bad_fork_cleanup_count;
p->did_exec = 0;
delayacct_tsk_init(p); /* Must remain after dup_task_struct() */
copy_flags(clone_flags, p);
INIT_LIST_HEAD(&p->children);
INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);
rcu_copy_process(p);
p->vfork_done = NULL;
spin_lock_init(&p->alloc_lock);
init_sigpending(&p->pending);
p->utime = cputime_zero;
p->stime = cputime_zero;
p->gtime = cputime_zero;
p->utimescaled = cputime_zero;
p->stimescaled = cputime_zero;
#ifndef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING
p->prev_utime = cputime_zero;
p->prev_stime = cputime_zero;
#endif
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
memset(&p->rss_stat, 0, sizeof(p->rss_stat));
#endif
p->default_timer_slack_ns = current->timer_slack_ns;
task_io_accounting_init(&p->ioac);
acct_clear_integrals(p);
posix_cpu_timers_init(p);
p->lock_depth = -1; /* -1 = no lock */
do_posix_clock_monotonic_gettime(&p->start_time);
p->real_start_time = p->start_time;
monotonic_to_bootbased(&p->real_start_time);
p->io_context = NULL;
p->audit_context = NULL;
cgroup_fork(p);
#ifdef CONFIG_NUMA
p->mempolicy = mpol_dup(p->mempolicy);
if (IS_ERR(p->mempolicy)) {
retval = PTR_ERR(p->mempolicy);
p->mempolicy = NULL;
goto bad_fork_cleanup_cgroup;
}
mpol_fix_fork_child_flag(p);
#endif
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
p->irq_events = 0;
#ifdef __ARCH_WANT_INTERRUPTS_ON_CTXSW
p->hardirqs_enabled = 1;
#else
p->hardirqs_enabled = 0;
#endif
p->hardirq_enable_ip = 0;
p->hardirq_enable_event = 0;
p->hardirq_disable_ip = _THIS_IP_;
p->hardirq_disable_event = 0;
p->softirqs_enabled = 1;
p->softirq_enable_ip = _THIS_IP_;
p->softirq_enable_event = 0;
p->softirq_disable_ip = 0;
p->softirq_disable_event = 0;
p->hardirq_context = 0;
p->softirq_context = 0;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
p->lockdep_depth = 0; /* no locks held yet */
p->curr_chain_key = 0;
p->lockdep_recursion = 0;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
p->blocked_on = NULL; /* not blocked yet */
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR
p->memcg_batch.do_batch = 0;
p->memcg_batch.memcg = NULL;
#endif
p->bts = NULL;
/* Perform scheduler related setup. Assign this task to a CPU. */
sched_fork(p, clone_flags);
retval = perf_event_init_task(p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_policy;
if ((retval = audit_alloc(p)))
goto bad_fork_cleanup_policy;
/* copy all the process information */
if ((retval = copy_semundo(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_audit;
if ((retval = copy_files(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_semundo;
if ((retval = copy_fs(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_files;
if ((retval = copy_sighand(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_fs;
if ((retval = copy_signal(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_sighand;
if ((retval = copy_mm(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_signal;
if ((retval = copy_namespaces(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_mm;
if ((retval = copy_io(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_namespaces;
retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p, regs);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_io;
if (pid != &init_struct_pid) {
retval = -ENOMEM;
pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns);
if (!pid)
goto bad_fork_cleanup_io;
if (clone_flags & CLONE_NEWPID) {
retval = pid_ns_prepare_proc(p->nsproxy->pid_ns);
if (retval < 0)
goto bad_fork_free_pid;
}
}
p->pid = pid_nr(pid);
p->tgid = p->pid;
if (clone_flags & CLONE_THREAD)
p->tgid = current->tgid;
if (current->nsproxy != p->nsproxy) {
retval = ns_cgroup_clone(p, pid);
if (retval)
goto bad_fork_free_pid;
}
p->set_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_SETTID) ? child_tidptr : NULL;
/*
* Clear TID on mm_release()?
*/
p->clear_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_CLEARTID) ? child_tidptr: NULL;
#ifdef CONFIG_FUTEX
p->robust_list = NULL;
#ifdef CONFIG_COMPAT
p->compat_robust_list = NULL;
#endif
INIT_LIST_HEAD(&p->pi_state_list);
p->pi_state_cache = NULL;
#endif
/*
* sigaltstack should be cleared when sharing the same VM
*/
if ((clone_flags & (CLONE_VM|CLONE_VFORK)) == CLONE_VM)
p->sas_ss_sp = p->sas_ss_size = 0;
/*
* Syscall tracing and stepping should be turned off in the
* child regardless of CLONE_PTRACE.
*/
user_disable_single_step(p);
clear_tsk_thread_flag(p, TIF_SYSCALL_TRACE);
#ifdef TIF_SYSCALL_EMU
clear_tsk_thread_flag(p, TIF_SYSCALL_EMU);
#endif
clear_all_latency_tracing(p);
/* ok, now we should be set up.. */
p->exit_signal = (clone_flags & CLONE_THREAD) ? -1 : (clone_flags & CSIGNAL);
p->pdeath_signal = 0;
p->exit_state = 0;
/*
* Ok, make it visible to the rest of the system.
* We dont wake it up yet.
*/
p->group_leader = p;
INIT_LIST_HEAD(&p->thread_group);
/* Now that the task is set up, run cgroup callbacks if
* necessary. We need to run them before the task is visible
* on the tasklist. */
cgroup_fork_callbacks(p);
cgroup_callbacks_done = 1;
/* Need tasklist lock for parent etc handling! */
write_lock_irq(&tasklist_lock);
/* CLONE_PARENT re-uses the old parent */
if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD)) {
p->real_parent = current->real_parent;
p->parent_exec_id = current->parent_exec_id;
} else {
p->real_parent = current;
p->parent_exec_id = current->self_exec_id;
}
spin_lock(¤t->sighand->siglock);
/*
* Process group and session signals need to be delivered to just the
* parent before the fork or both the parent and the child after the
* fork. Restart if a signal comes in before we add the new process to
* it's process group.
* A fatal signal pending means that current will exit, so the new
* thread can't slip out of an OOM kill (or normal SIGKILL).
*/
recalc_sigpending();
if (signal_pending(current)) {
spin_unlock(¤t->sighand->siglock);
write_unlock_irq(&tasklist_lock);
retval = -ERESTARTNOINTR;
goto bad_fork_free_pid;
}
if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
atomic_inc(¤t->signal->count);
atomic_inc(¤t->signal->live);
p->group_leader = current->group_leader;
list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);
}
if (likely(p->pid)) {
tracehook_finish_clone(p, clone_flags, trace);
if (thread_group_leader(p)) {
if (clone_flags & CLONE_NEWPID)
p->nsproxy->pid_ns->child_reaper = p;
p->signal->leader_pid = pid;
tty_kref_put(p->signal->tty);
p->signal->tty = tty_kref_get(current->signal->tty);
attach_pid(p, PIDTYPE_PGID, task_pgrp(current));
attach_pid(p, PIDTYPE_SID, task_session(current));
list_add_tail(&p->sibling, &p->real_parent->children);
list_add_tail_rcu(&p->tasks, &init_task.tasks);
__get_cpu_var(process_counts)++;
}
attach_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
nr_threads++;
}
total_forks++;
spin_unlock(¤t->sighand->siglock);
write_unlock_irq(&tasklist_lock);
proc_fork_connector(p);
cgroup_post_fork(p);
perf_event_fork(p);
return p;
bad_fork_free_pid:
if (pid != &init_struct_pid)
free_pid(pid);
bad_fork_cleanup_io:
if (p->io_context)
exit_io_context(p);
bad_fork_cleanup_namespaces:
exit_task_namespaces(p);
bad_fork_cleanup_mm:
if (p->mm)
mmput(p->mm);
bad_fork_cleanup_signal:
if (!(clone_flags & CLONE_THREAD))
__cleanup_signal(p->signal);
bad_fork_cleanup_sighand:
__cleanup_sighand(p->sighand);
bad_fork_cleanup_fs:
exit_fs(p); /* blocking */
bad_fork_cleanup_files:
exit_files(p); /* blocking */
bad_fork_cleanup_semundo:
exit_sem(p);
bad_fork_cleanup_audit:
audit_free(p);
bad_fork_cleanup_policy:
perf_event_free_task(p);
#ifdef CONFIG_NUMA
mpol_put(p->mempolicy);
bad_fork_cleanup_cgroup:
#endif
cgroup_exit(p, cgroup_callbacks_done);
delayacct_tsk_free(p);
module_put(task_thread_info(p)->exec_domain->module);
bad_fork_cleanup_count:
atomic_dec(&p->cred->user->processes);
exit_creds(p);
bad_fork_free:
free_task(p);
fork_out:
return ERR_PTR(retval);
}
/*
* Ok, this is the main fork-routine.
*
* It copies the process, and if successful kick-starts
* it and waits for it to finish using the VM if required.
*/
long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
struct pt_regs *regs,
unsigned long stack_size,
int __user *parent_tidptr,
int __user *child_tidptr)
{
struct task_struct *p;
int trace = 0;
long nr;
/*
* Do some preliminary argument and permissions checking before we
* actually start allocating stuff
*/
if (clone_flags & CLONE_NEWUSER) {
if (clone_flags & CLONE_THREAD)
return -EINVAL;
/* hopefully this check will go away when userns support is
* complete
*/
if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) || !capable(CAP_SETUID) ||
!capable(CAP_SETGID))
return -EPERM;
}
/*
* We hope to recycle these flags after 2.6.26
*/
if (unlikely(clone_flags & CLONE_STOPPED)) {
static int __read_mostly count = 100;
if (count > 0 && printk_ratelimit()) {
char comm[TASK_COMM_LEN];
count--;
printk(KERN_INFO "fork(): process `%s' used deprecated "
"clone flags 0x%lx\n",
get_task_comm(comm, current),
clone_flags & CLONE_STOPPED);
}
}
/*
* When called from kernel_thread, don't do user tracing stuff.
*/
if (likely(user_mode(regs)))
trace = tracehook_prepare_clone(clone_flags);
p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
/*
* Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
* might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
*/
if (!IS_ERR(p)) {
struct completion vfork;
trace_sched_process_fork(current, p);
nr = task_pid_vnr(p);
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
put_user(nr, parent_tidptr);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
p->vfork_done = &vfork;
init_completion(&vfork);
}
audit_finish_fork(p);
tracehook_report_clone(regs, clone_flags, nr, p);
/*
* We set PF_STARTING at creation in case tracing wants to
* use this to distinguish a fully live task from one that
* hasn't gotten to tracehook_report_clone() yet. Now we
* clear it and set the child going.
*/
p->flags &= ~PF_STARTING;
if (unlikely(clone_flags & CLONE_STOPPED)) {
/*
* We'll start up with an immediate SIGSTOP.
*/
sigaddset(&p->pending.signal, SIGSTOP);
set_tsk_thread_flag(p, TIF_SIGPENDING);
__set_task_state(p, TASK_STOPPED);
} else {
wake_up_new_task(p, clone_flags);
}
tracehook_report_clone_complete(trace, regs,
clone_flags, nr, p);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
freezer_do_not_count();
wait_for_completion(&vfork);
freezer_count();
tracehook_report_vfork_done(p, nr);
}
} else {
nr = PTR_ERR(p);
}
return nr;
}
copy_process 中会调用 dup_task_struct 先复制 task_struct 进程描述符，并做一些必要的改动，默认会去掉 flags 字段也即描述符标志中的PF_SUPERPRIV 值，表示进程没有使用超级用户权限，默认设置了PF_FORKNOEXEC 表示还没有执行 exec，设置了 PF_STARTING 标志表示进程正在被创建。copy_process 还会调用 copy_creds 复制进程凭证，这个以后再来专门研究，调用 task_io_accounting_init 初始化 I/O 统计，调用 cgroup_fork 将此进程加到父 cgroups 中，cgroups 是新 kernel 加入的一个比较重要的分组控制的机制，也是依赖 namespace 来实现的，有关 cgroups 以后将专门写一篇文章来介绍。
copy_process 然后会调用 sched_fork 为新创建的进程配置调度器，其中会将进程状态设为 TASK_WAKING 保证没人能运行它或者用信号之类将此新进程加入运行队列，并会调用 set_task_cpu 为进程选择一个空闲的 CPU 来运行，sched_fork 相关函数在 kernel/sched.c 中。
copy_process 然后会根据 clone_flags 来调用 copy_files、copy_fs 等来复制文件描述符、文件系统信息、信号处理函数等，copy_process 中调用 alloc_pid 给新进程分配 PID，copy_process 最终返回一个新的 task_struct。do_fork 最终会通过 task_pid_vnr 来返回子进程的 PID。
fork() 之后 Linux kernel 主观上会调用 wake_up_new_task 让子进程先运行，这样避免父进程有写地址空间的改动而可以减少 COW 的次数，但实际运行中并不一定完全会这样。
当使用 vfork() 函数创建进程时，task_struct 的 vfork_done 指向一个特定的地址，kernel 通过 init_completion 初始化等待，从上面的代码也可以看到父进程会一直调用 wait_for_completion 等待直到子进程通过 vfork_done 指针通知它，每个进程退出地址空间时（exec 或者 exit） mm_release() 函数中会检查 vfork_done 如果不为 NULL 父进程就能收到信号，这样就可以保证 vfork() 时必须是子进程先运行。
实际上由于 COW 的存在，vfork() 相对 fork() 惟一的好处只在于少了页表项的拷贝，现在也已经有了测试版的 COW 页表项 patch，这个就以后再抽空测试了。
3、Linux线程实现：
Linux kernel 的线程实现是比较特别的，它没有专门的线程概念，所有线程只是标准的进程，线程只是一个与其它进程共享资源的进程，这与 Windows、Solaris 等操作系统有明显的不同。
Linux 中线程的创建也是通过 clone() 系统调用来实现，只是增加了特别的参数：
clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);
上面的结果是地址空间、文件系统资源、文件描述符、信号处理都被共享了。
普通的 fork() 的调用方式为：
clone(SIGCHLD, 0);
vfork() 函数的调用方式为：
clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0);
这样明显就能看到区别了。
另外来专门说下 kernel thread，kernel thread 是一种只在内核空间存在的进程，它不会发生上下文切换到用户空间，它也是可被调度和可被抢占的，它与普通进程的区别在于它没有地址空间，它的 task_struct 的 mm 指针（即进程地址空间）为 NULL。常见的 kernel thread 有 flush、ksoftirqd 等。
可以使用 kthread_create 函数创建 kernel thread，此函数定义在 kernel/kthread.c 中，此函数即返回 task_struct 指针，kernel thread 创建之后默认为 TASK_INTERRUPTIBLE 状态，需要使用 wake_up_process 来唤醒它，因此可以使用 kthread_run 直接创建并运行一个 kernel thread。kthread_stop 用于停止 kernel thread 执行。
看看 kthread_create 的代码：
struct task_struct *kthread_create(int (*threadfn)(void *data),
void *data,
const char namefmt[],
...)
{
struct kthread_create_info create;
create.threadfn = threadfn;
create.data = data;
init_completion(&create.done);
spin_lock(&kthread_create_lock);
list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list);
spin_unlock(&kthread_create_lock);
wake_up_process(kthreadd_task);
wait_for_completion(&create.done);
if (!IS_ERR(create.result)) {
struct sched_param param = { .sched_priority = 0 };
va_list args;
va_start(args, namefmt);
vsnprintf(create.result->comm, sizeof(create.result->comm),
namefmt, args);
va_end(args);
/*
* root may have changed our (kthreadd's) priority or CPU mask.
* The kernel thread should not inherit these properties.
*/
sched_setscheduler_nocheck(create.result, SCHED_NORMAL, ¶m);
set_cpus_allowed_ptr(create.result, cpu_all_mask);
}
return create.result;
}
这时就要请出 PID 为 2 的 kthreadd 进程出场了，kernel thread 的创建是由 kthreadd 完成的。kthread_create 中会先把创建的信息 kthread_create_info 加到 kthread_create_list 链接中，然后唤醒 kthreadd 进程（其进程描述符保存在 kthreadd_task 全局变量中），并使用 wait_for_completion 等待 kthreadd 创建过程完成。
再看看 kthreadd 的实现：
int kthreadd(void *unused)
{
struct task_struct *tsk = current;
/* Setup a clean context for our children to inherit. */
set_task_comm(tsk, "kthreadd");
ignore_signals(tsk);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);
set_mems_allowed(node_states[N_HIGH_MEMORY]);
current->flags |= PF_NOFREEZE | PF_FREEZER_NOSIG;
for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
if (list_empty(&kthread_create_list))
schedule();
__set_current_state(TASK_RUNNING);
spin_lock(&kthread_create_lock);
while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
struct kthread_create_info *create;
create = list_entry(kthread_create_list.next,
struct kthread_create_info, list);
list_del_init(&create->list);
spin_unlock(&kthread_create_lock);
create_kthread(create);
spin_lock(&kthread_create_lock);
}
spin_unlock(&kthread_create_lock);
}
return 0;
}
kthreadd 在循环中检查 kthread_create_list 链表，会找到刚才的 kthread_create_info 结构，并将之从 kthread_create_list 链表中删除，然后调用 create_kthread 最终完成创建。
OK，既然都分析这么多了就再来 create_kthread：
static int kthread(void *_create)
{
/* Copy data: it's on kthread's stack */
struct kthread_create_info *create = _create;
int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn;
void *data = create->data;
struct kthread self;
int ret;
self.should_stop = 0;
init_completion(&self.exited);
current->vfork_done = &self.exited;
/* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
__set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
create->result = current;
complete(&create->done);
schedule();
ret = -EINTR;
if (!self.should_stop)
ret = threadfn(data);
/* we can't just return, we must preserve "self" on stack */
do_exit(ret);
}
static void create_kthread(struct kthread_create_info *create)
{
int pid;
/* We want our own signal handler (we take no signals by default). */
pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);
if (pid < 0) {
create->result = ERR_PTR(pid);
complete(&create->done);
}
}
create_kthread 会调用 kernel_thread 创建新的进程，而且它的入口函数是 kthread 函数，参数为 create。kthread 中把自己设为 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态，并用 complete 告诉 kthread_create 创建好了，接着它调用 schedule() 函数使其所在进程进入睡眠状态，如果被唤醒（可以使用 wait_up_process 之类的了）就执行创建 kthread thread 时指定的入口函数。
而 kernel_thread 的实现则是平台相关的，它会调用 do_fork 创建新的进程，看看 x86 上的实现：
int kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
struct pt_regs regs;
memset(®s, 0, sizeof(regs));
regs.si = (unsigned long) fn;
regs.di = (unsigned long) arg;
#ifdef CONFIG_X86_32
regs.ds = __USER_DS;
regs.es = __USER_DS;
regs.fs = __KERNEL_PERCPU;
regs.gs = __KERNEL_STACK_CANARY;
#else
regs.ss = __KERNEL_DS;
#endif
regs.orig_ax = -1;
regs.ip = (unsigned long) kernel_thread_helper;
regs.cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
regs.flags = X86_EFLAGS_IF | 0x2;
/* Ok, create the new process.. */
return do_fork(flags | CLONE_VM | CLONE_UNTRACED, 0, ®s, 0, NULL, NULL);
}
由此也可以看到在 kernel 中创建 kernel thread 有两种方法：kthread_create 和 kernel_thread，它们的区别是：kthread_create 创建的 kernel thread 有完整的上下文环境，其父进程一定为 kthreadd，而 kernel_thread 的父进程可以为 init 或其它 kernel thread。
4、进程结束：
进程可以使用 exit 函数主动结束自己，也可以在收到信号或异常时非主动结束。不管怎样结束，最终都由 do_exit() 函数来完成，此函数定义在 kernel/exit.c 中，看看它的实现：
static void exit_notify(struct task_struct *tsk, int group_dead)
{
int signal;
void *cookie;
/*
* This does two things:
*
* A. Make init inherit all the child processes
* B. Check to see if any process groups have become orphaned
* as a result of our exiting, and if they have any stopped
* jobs, send them a SIGHUP and then a SIGCONT. (POSIX 3.2.2.2)
*/
forget_original_parent(tsk);
exit_task_namespaces(tsk);
write_lock_irq(&tasklist_lock);
if (group_dead)
kill_orphaned_pgrp(tsk->group_leader, NULL);
/* Let father know we died
*
* Thread signals are configurable, but you aren't going to use
* that to send signals to arbitary processes.
* That stops right now.
*
* If the parent exec id doesn't match the exec id we saved
* when we started then we know the parent has changed security
* domain.
*
* If our self_exec id doesn't match our parent_exec_id then
* we have changed execution domain as these two values started
* the same after a fork.
*/
if (tsk->exit_signal != SIGCHLD && !task_detached(tsk) &&
(tsk->parent_exec_id != tsk->real_parent->self_exec_id ||
tsk->self_exec_id != tsk->parent_exec_id))
tsk->exit_signal = SIGCHLD;
signal = tracehook_notify_death(tsk, &cookie, group_dead);
if (signal >= 0)
signal = do_notify_parent(tsk, signal);
tsk->exit_state = signal == DEATH_REAP ? EXIT_DEAD : EXIT_ZOMBIE;
/* mt-exec, de_thread() is waiting for us */
if (thread_group_leader(tsk) &&
tsk->signal->group_exit_task &&
tsk->signal->notify_count < 0)
wake_up_process(tsk->signal->group_exit_task);
write_unlock_irq(&tasklist_lock);
tracehook_report_death(tsk, signal, cookie, group_dead);
/* If the process is dead, release it - nobody will wait for it */
if (signal == DEATH_REAP)
release_task(tsk);
}
NORET_TYPE void do_exit(long code)
{
struct task_struct *tsk = current;
int group_dead;
profile_task_exit(tsk);
WARN_ON(atomic_read(&tsk->fs_excl));
if (unlikely(in_interrupt()))
panic("Aiee, killing interrupt handler!");
if (unlikely(!tsk->pid))
panic("Attempted to kill the idle task!");
tracehook_report_exit(&code);
validate_creds_for_do_exit(tsk);
/*
* We're taking recursive faults here in do_exit. Safest is to just
* leave this task alone and wait for reboot.
*/
if (unlikely(tsk->flags & PF_EXITING)) {
printk(KERN_ALERT
"Fixing recursive fault but reboot is needed!\n");
/*
* We can do this unlocked here. The futex code uses
* this flag just to verify whether the pi state
* cleanup has been done or not. In the worst case it
* loops once more. We pretend that the cleanup was
* done as there is no way to return. Either the
* OWNER_DIED bit is set by now or we push the blocked
* task into the wait for ever nirwana as well.
*/
tsk->flags |= PF_EXITPIDONE;
set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
schedule();
}
exit_irq_thread();
exit_signals(tsk); /* sets PF_EXITING */
/*
* tsk->flags are checked in the futex code to protect against
* an exiting task cleaning up the robust pi futexes.
*/
smp_mb();
raw_spin_unlock_wait(&tsk->pi_lock);
if (unlikely(in_atomic()))
printk(KERN_INFO "note: %s[%d] exited with preempt_count %d\n",
current->comm, task_pid_nr(current),
preempt_count());
acct_update_integrals(tsk);
/* sync mm's RSS info before statistics gathering */
if (tsk->mm)
sync_mm_rss(tsk, tsk->mm);
group_dead = atomic_dec_and_test(&tsk->signal->live);
if (group_dead) {
hrtimer_cancel(&tsk->signal->real_timer);
exit_itimers(tsk->signal);
if (tsk->mm)
setmax_mm_hiwater_rss(&tsk->signal->maxrss, tsk->mm);
}
acct_collect(code, group_dead);
if (group_dead)
tty_audit_exit();
if (unlikely(tsk->audit_context))
audit_free(tsk);
tsk->exit_code = code;
taskstats_exit(tsk, group_dead);
exit_mm(tsk);
if (group_dead)
acct_process();
trace_sched_process_exit(tsk);
exit_sem(tsk);
exit_files(tsk);
exit_fs(tsk);
check_stack_usage();
exit_thread();
cgroup_exit(tsk, 1);
if (group_dead)
disassociate_ctty(1);
module_put(task_thread_info(tsk)->exec_domain->module);
proc_exit_connector(tsk);
/*
* FIXME: do that only when needed, using sched_exit tracepoint
*/
flush_ptrace_hw_breakpoint(tsk);
/*
* Flush inherited counters to the parent - before the parent
* gets woken up by child-exit notifications.
*/
perf_event_exit_task(tsk);
exit_notify(tsk, group_dead);
#ifdef CONFIG_NUMA
mpol_put(tsk->mempolicy);
tsk->mempolicy = NULL;
#endif
#ifdef CONFIG_FUTEX
if (unlikely(current->pi_state_cache))
kfree(current->pi_state_cache);
#endif
/*
* Make sure we are holding no locks:
*/
debug_check_no_locks_held(tsk);
/*
* We can do this unlocked here. The futex code uses this flag
* just to verify whether the pi state cleanup has been done
* or not. In the worst case it loops once more.
*/
tsk->flags |= PF_EXITPIDONE;
if (tsk->io_context)
exit_io_context(tsk);
if (tsk->splice_pipe)
__free_pipe_info(tsk->splice_pipe);
validate_creds_for_do_exit(tsk);
preempt_disable();
exit_rcu();
/* causes final put_task_struct in finish_task_switch(). */
tsk->state = TASK_DEAD;
schedule();
BUG();
/* Avoid "noreturn function does return". */
for (;;)
cpu_relax(); /* For when BUG is null */
}
do_exit 会将 task_struct 的 flags 字段设为 PF_EXITING（在 exit_signals 中设置），调用 acct_update_integrals 更新进程统计信息，调用 exit_mm 释放进程使用的地址空间（mm_struct），调用 exit_sem、exit_files、exit_fs 释放等待的信号量，递减文件描述符和文件系统的引用计数，task_struct 的 exit_code 被设置为对应的退出值，调用 exit_notify 通知进程的父进程，而在 exit_notify 函数中将此进程的子进程的父进程改为线程组中的另一个线程或者 init 进程，并将 exit_state 标记为 EXIT_ZOMBIE（需要父进程得到退出状态了），最终进程 state 状态被设置为 TASK_DEAD，然后调用 schedule() 以切换到新的进程上。
do_exit 完成之后，进程的描述符和 thread_info 都还是存在的，只是进程是 EXIT_ZOMBIE 状态而且不可运行，如果父进程通过 wait4 等系统调用处理完此进程的状态，此进程的 task_struct 和 thread_info 就会通过调用 release_task() 被最终释放，看看它的实现：
void release_task(struct task_struct * p)
{
struct task_struct *leader;
int zap_leader;
repeat:
tracehook_prepare_release_task(p);
/* don't need to get the RCU readlock here - the process is dead and
* can't be modifying its own credentials. But shut RCU-lockdep up */
rcu_read_lock();
atomic_dec(&__task_cred(p)->user->processes);
rcu_read_unlock();
proc_flush_task(p);
write_lock_irq(&tasklist_lock);
tracehook_finish_release_task(p);
__exit_signal(p);
/*
* If we are the last non-leader member of the thread
* group, and the leader is zombie, then notify the
* group leader's parent process. (if it wants notification.)
*/
zap_leader = 0;
leader = p->group_leader;
if (leader != p && thread_group_empty(leader) && leader->exit_state == EXIT_ZOMBIE) {
BUG_ON(task_detached(leader));
do_notify_parent(leader, leader->exit_signal);
/*
* If we were the last child thread and the leader has
* exited already, and the leader's parent ignores SIGCHLD,
* then we are the one who should release the leader.
*
* do_notify_parent() will have marked it self-reaping in
* that case.
*/
zap_leader = task_detached(leader);
/*
* This maintains the invariant that release_task()
* only runs on a task in EXIT_DEAD, just for sanity.
*/
if (zap_leader)
leader->exit_state = EXIT_DEAD;
}
write_unlock_irq(&tasklist_lock);
release_thread(p);
call_rcu(&p->rcu, delayed_put_task_struct);
p = leader;
if (unlikely(zap_leader))
goto repeat;
}
它先调用 __exit_signal，其中会调用 __unhash_process，__unhash_process 调用 detach_pid 将 PID 从上面说的进程 PID hash 表（pid_hash）中删除。release_task 最终会调用 delayed_put_task_struct，其中再调用 put_task_struct，put_task_struct 再分别调用 free_thread_info 和 free_task_struct 来释放 thread_info 和 task_struct。
需要注意的是如果父进程在子进程之前退出，这时需要一个机制设置子进程的新父进程，不然子进程退出时将一直处于僵尸状态。因此进程退出时需要调用 exit_notify 进行通知处理，exit_notify 调用 forget_original_parent，其中再调用 find_new_reaper（意思不错，找到新收割者 ^_^） 来设置新父进程，看看它的实现：
static struct task_struct *find_new_reaper(struct task_struct *father)
{
struct pid_namespace *pid_ns = task_active_pid_ns(father);
struct task_struct *thread;
thread = father;
while_each_thread(father, thread) {
if (thread->flags & PF_EXITING)
continue;
if (unlikely(pid_ns->child_reaper == father))
pid_ns->child_reaper = thread;
return thread;
}
if (unlikely(pid_ns->child_reaper == father)) {
write_unlock_irq(&tasklist_lock);
if (unlikely(pid_ns == &init_pid_ns))
panic("Attempted to kill init!");
zap_pid_ns_processes(pid_ns);
write_lock_irq(&tasklist_lock);
/*
* We can not clear ->child_reaper or leave it alone.
* There may by stealth EXIT_DEAD tasks on ->children,
* forget_original_parent() must move them somewhere.
*/
pid_ns->child_reaper = init_pid_ns.child_reaper;
}
return pid_ns->child_reaper;
}
它先用 while_each_thread 在线程组中找一个进程，找到就直接返回，找不到就返回 init 进程了，init 进程会自动调用 wait() 来等待它的子进程。
至此 Linux kernel 中的进程基本实现大概了解了，将了进程和线程概念、进程创建和退出等做了代码上的分析介绍，下面就是专门的进程调度了，有任何问题欢迎指正哦~~~ ^_^