用户态进程/线程的创建 Fork/vfork/Pthread_Create

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fork

fork 函数创建子进程成功后，父进程返回子进程的 pid，子进程返回0。具体描述如下：

• fork返回值为-1， 代表创建子进程失败
• fork返回值为0，代表子进程创建成功，这个分支是子进程的运行逻辑
• fork返回值大于0，这个分支是父进程的运行逻辑，并且返回值等于子进程的 pid

我们看下通过 fork 系统调用来创建子进程的例子:

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
  
int main() 
{ 
   pid_t pid = fork(); 
  
   if(pid == -1){ 
       printf("create child process failed!\n"); 
       return -1; 
   }else if(pid == 0){ 
       printf("This is child process!\n"); 
   }else{ 
       printf("This is parent process!\n"); 
       printf("parent process pid = %d\n",getpid()); 
       printf("child process pid = %d\n",pid); 
   } 
  
   getchar(); 
  
   return 0; 
} 

运行结果：

$ ./a.out 
This is parent process! 
parent process pid = 25483 
child process pid = 25484 
This is child process! 

从上面的运行结果来看，子进程的pid=25484， 父进程的pid=25483。

在前面介绍内存缺页异常的时候，提到写时复制 COW 是一种推迟或者避免复制数据的技术，主要用在 fork 系统调用里，当执行 fork 创建新子进程时，内核不需要复制父进程的整个进程地址空间给子进程，而是让父进程和子进程共享同一个副本，只有写入时，数据才会被复制。我们用一个简单里的例子描述下：

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
 
int peter = 10; 
 
int main() 
{ 
  pid_t pid = fork(); 
 
  if(pid == -1){ 
      printf("create child process failed!\n"); 
      return -1; 
  }else if(pid == 0){ 
      printf("This is child process, peter = %d!\n", peter); 
      peter = 100; 
      printf("After child process modify peter = %d\n", peter); 
  }else{ 
      printf("This is parent process = %d!\n", peter); 
  } 
 
  getchar(); 
 
  return 0; 
} 

执行结果：

$ ./a.out 
This is parent process = 10! 
This is child process, peter = 10! 
After child process modify peter = 100 

从运行结果可以看到，不论子进程如何去修改 peter 的值，父进程永远看到的是自己的那一份。

vfork

接下来看下使用 vfork 来创建子进程:

#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
 
int peter = 10; 
 
int main() 
{ 
  pid_t pid = vfork(); 
 
  if(pid == -1){ 
      printf("create child process failed!\n"); 
      return -1; 
  }else if(pid == 0){ 
      printf("This is child process, peter = %d!\n", peter); 
      peter = 100; 
      printf("After child process modify peter = %d\n", peter); 
      exit(0); 
  }else{ 
      printf("This is parent process = %d!\n", peter); 
  } 
 
  getchar(); 
 
  return 0; 
} 

运行结果：

$ ./a.out 
This is child process, peter = 10! 
After child process modify peter = 100 
This is parent process = 100! 

从运行结果中可以看出，当子进程修改了 peter=100 之后，父进程中打印 peter 的值也是100。

pthread_create

现在我们知道了创建进程有两种方式：fork，vfork。那么创建线程呢?

线程的创建接口是用 pthread_create:

#include <pthread.h> 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/syscall.h> 
 
int peter = 10; 
 
static pid_t gettid(void) 
{ 
 return syscall(SYS_gettid); 
} 
 
static void* thread_call(void* arg) 
{ 
 peter = 100; 
 printf("create thread success!\n"); 
 printf("thread_call pid = %d, tid = %d, peter = %d\n", getpid(), gettid(), peter); 
 return NULL; 
} 
 
int main() 
{ 
 int ret; 
 pthread_t thread; 
 
 ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_call, NULL); 
 if(ret == -1) 
     printf("create thread faild!\n"); 
 
 ret = pthread_join(thread, NULL); 
 if(ret == -1) 
     printf("pthread join failed!\n"); 
 
 printf("process pid = %d, tid = %d, peter = %d\n", getpid(), gettid(), peter); 
 
 return ret; 
} 

运行结果：

$ ./a.out 
create thread success! 
thread_call pid = 9719, tid = 9720, peter = 100 
process pid = 9719, tid = 9719, peter = 100 

从上面的结果可以看出：进程和线程的 pid 都是相同的。当线程修改了 peter = 100 之后，父进程中打印 peter 的值也是100。

进程线程创建总图

上面介绍了用户态创建进程和线程的方式，以及各个方式的特点。关于其底层的实现本质，我们后面会详细讲解。这里先提供一下三者之间的关系，可见三者最终都会调用 do_fork 实现。

但是内核态没有进程线程的概念，内核中只认 task_struct 结构，只要是 task_struct 结构就可以参与调度。关于内核态的任务创建，我们下文见。