鸿蒙内核源码分析 (Fork 篇) | 一次调用，两次返回

2024-08-08  本文已影响0人  迪士尼在逃程序员

第一次看到 fork 时，说是一次调用，两次返回，当时就懵圈了，多新鲜，真的很难理解。因为这足以颠覆了以往对函数的认知， 函数调用还能这么玩，父进程调用一次，父子进程各返回一次。而且只能通过返回值来判断是哪个进程的返回。所以一直有几个问题缠绕在脑海中.

直到看了 linux 内核源码后才搞明白，但系列篇的定位是挖透鸿蒙的内核源码，所以本篇将深入 fork 函数，用鸿蒙内核源码去说明白这些问题。在看本篇之前建议要先看系列篇的其他篇幅。如 (任务切换篇，寄存器篇，工作模式篇，系统调用篇 等)，有了这些基础，会很好理解 fork 的实现过程.

fork 是什么

先看一个网上经常拿来说 fork 的一个代码片段.

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    char *message;
    int n;
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(1);
    }
    if (pid == 0) {
        message = "This is the child\n";
        n = 6;
    } else {
        message = "This is the parent\n";
        n = 3;
    }
    for(; n > 0; n--) {
        printf(message);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行结果

$ ./a.out 
This is the child
This is the parent
This is the child
This is the parent
This is the child
This is the parent
This is the child
$ This is the child
This is the child

这个程序的运行过程如下图所示。

解读

        pid_t pid;
        char *message;
        int n;

子进程是从 pid = fork() 后开始执行的，按理它不会在新任务栈中出现这些变量，而实际上后面又能顺利的使用这些变量，说明父进程当前任务的用户态的数据也复制了一份给子进程的新任务栈中.

为什么是 fork

fork 函数的特点概括起来就是 “调用一次，返回两次”，在父进程中调用一次，在父进程和子进程中各返回一次。从上图可以看出，一开始是一个控制流程，调用 fork 之后发生了分叉，变成两个控制流程，这也就是 “fork”（分叉）这个名字的由来了。 系列篇已经写了 40 + 多篇，已经很容易理解一个程序运行起来就需要各种资源 (内存，文件，ipc，监控信息等等)，资源就需要管理，进程就是管理资源的容器。这些资源相当于干活需要各种工具一样，干活的工具都差不多，实在没必再走流程一一申请，而且申请下来会发现和别人手里已有的工具都一样， 别人有直接拿过来使用它不香吗？所以最简单的办法就是认个干爹，让干爹拷贝一份干活工具给你。这样只需要专心的干好活 (任务) 就行了. fork 的本质就是 copy，具体看代码.

fork 怎么实现的？

//系统调用之fork ，建议去 https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note fork 一下? :P 
int SysFork(void)
{
    return OsClone(CLONE_SIGHAND， 0， 0);//本质就是克隆
}
LITE_OS_SEC_TEXT INT32 OsClone(UINT32 flags， UINTPTR sp， UINT32 size)
{
    UINT32 cloneFlag = CLONE_PARENT | CLONE_THREAD | CLONE_VFORK | CLONE_VM;

    if (flags & (~cloneFlag)) {
        PRINT_WARN("Clone dont support some flags!\n");
    }

    return OsCopyProcess(cloneFlag & flags， NULL， sp， size);
}
STATIC INT32 OsCopyProcess(UINT32 flags， const CHAR *name， UINTPTR sp， UINT32 size)
{
    UINT32 intSave， ret， processID;
    LosProcessCB *run = OsCurrProcessGet();//获取当前进程

    LosProcessCB *child = OsGetFreePCB();//从进程池中申请一个进程控制块，鸿蒙进程池默认64
    if (child == NULL) {
        return -LOS_EAGAIN;
    }
    processID = child->processID;

    ret = OsForkInitPCB(flags， child， name， sp， size);//初始化进程控制块
    if (ret != LOS_OK) {
        goto ERROR_INIT;
    }

    ret = OsCopyProcessResources(flags， child， run);//拷贝进程的资源，包括虚拟空间，文件，安全，IPC ==
    if (ret != LOS_OK) {
        goto ERROR_TASK;
    }

    ret = OsChildSetProcessGroupAndSched(child， run);//设置进程组和加入进程调度就绪队列
    if (ret != LOS_OK) {
        goto ERROR_TASK;
    }

    LOS_MpSchedule(OS_MP_CPU_ALL);//给各CPU发送准备接受调度信号
    if (OS_SCHEDULER_ACTIVE) {//当前CPU core处于活动状态
        LOS_Schedule();// 申请调度
    }

    return processID;

ERROR_TASK:
    SCHEDULER_LOCK(intSave);
    (VOID)OsTaskDeleteUnsafe(OS_TCB_FROM_TID(child->threadGroupID)， OS_PRO_EXIT_OK， intSave);
ERROR_INIT:
    OsDeInitPCB(child);
    return -ret;
}
### OsForkInitPCB
STATIC UINT32 (UINT32 flags， LosProcessCB *child， const CHAR *name， UINTPTR sp， UINT32 size)
{
    UINT32 ret;
    LosProcessCB *run = OsCurrProcessGet();//获取当前进程

    ret = OsInitPCB(child， run->processMode， OS_PROCESS_PRIORITY_LOWEST， LOS_SCHED_RR， name);//初始化PCB信息，进程模式，优先级，调度方式，名称 == 信息
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

    ret = OsCopyParent(flags， child， run);//拷贝父亲大人的基因信息
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

    return OsCopyTask(flags， child， name， sp， size);//拷贝任务，设置任务入口函数，栈大小
}
//初始化PCB块
STATIC UINT32 OsInitPCB(LosProcessCB *processCB， UINT32 mode， UINT16 priority， UINT16 policy， const CHAR *name)
{
    UINT32 count;
    LosVmSpace *space = NULL;
    LosVmPage *vmPage = NULL;
    status_t status;
    BOOL retVal = FALSE;

    processCB->processMode = mode;                      //用户态进程还是内核态进程
    processCB->processStatus = OS_PROCESS_STATUS_INIT;  //进程初始状态
    processCB->parentProcessID = OS_INVALID_VALUE;      //爸爸进程，外面指定
    processCB->threadGroupID = OS_INVALID_VALUE;        //所属线程组
    processCB->priority = priority;                     //进程优先级
    processCB->policy = policy;                         //调度算法 LOS_SCHED_RR
    processCB->umask = OS_PROCESS_DEFAULT_UMASK;        //掩码
    processCB->timerID = (timer_t)(UINTPTR)MAX_INVALID_TIMER_VID;

    LOS_ListInit(&processCB->threadSiblingList);//初始化孩子任务/线程链表，上面挂的都是由此fork的孩子线程 见于 OsTaskCBInit LOS_ListTailInsert(&(processCB->threadSiblingList)， &(taskCB->threadList));
    LOS_ListInit(&processCB->childrenList);     //初始化孩子进程链表，上面挂的都是由此fork的孩子进程 见于 OsCopyParent LOS_ListTailInsert(&parentProcessCB->childrenList， &childProcessCB->siblingList);
    LOS_ListInit(&processCB->exitChildList);    //初始化记录退出孩子进程链表，上面挂的是哪些exit 见于 OsProcessNaturalExit LOS_ListTailInsert(&parentCB->exitChildList， &processCB->siblingList);
    LOS_ListInit(&(processCB->waitList));       //初始化等待任务链表 上面挂的是处于等待的 见于 OsWaitInsertWaitLIstInOrder LOS_ListHeadInsert(&processCB->waitList， &runTask->pendList);

    for (count = 0; count < OS_PRIORITY_QUEUE_NUM; ++count) { //根据 priority数 创建对应个数的队列
        LOS_ListInit(&processCB->threadPriQueueList[count]); //初始化一个个线程队列，队列中存放就绪状态的线程/task 
    }//在鸿蒙内核中 task就是thread，在鸿蒙源码分析系列篇中有详细阐释 见于 https://my.oschina.net/u/3751245

    if (OsProcessIsUserMode(processCB)) {// 是否为用户模式进程
        space = LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0， sizeof(LosVmSpace));//分配一个虚拟空间
        if (space == NULL) {
            PRINT_ERR("%s %d， alloc space failed\n"， __FUNCTION__， __LINE__);
            return LOS_ENOMEM;
        }
        VADDR_T *ttb = LOS_PhysPagesAllocContiguous(1);//分配一个物理页用于存储L1页表 4G虚拟内存分成 （4096*1M）
        if (ttb == NULL) {//这里直接获取物理页ttb
            PRINT_ERR("%s %d， alloc ttb or space failed\n"， __FUNCTION__， __LINE__);
            (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0， space);
            return LOS_ENOMEM;
        }
        (VOID)memset_s(ttb， PAGE_SIZE， 0， PAGE_SIZE);//内存清0
        retVal = OsUserVmSpaceInit(space， ttb);//初始化虚拟空间和进程mmu
        vmPage = OsVmVaddrToPage(ttb);//通过虚拟地址拿到page
        if ((retVal == FALSE) || (vmPage == NULL)) {//异常处理
            PRINT_ERR("create space failed! ret: %d， vmPage: %#x\n"， retVal， vmPage);
            processCB->processStatus = OS_PROCESS_FLAG_UNUSED;//进程未使用，干净
            (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0， space);//释放虚拟空间
            LOS_PhysPagesFreeContiguous(ttb， 1);//释放物理页，4K
            return LOS_EAGAIN;
        }
        processCB->vmSpace = space;//设为进程虚拟空间
        LOS_ListAdd(&processCB->vmSpace->archMmu.ptList， &(vmPage->node));//将空间映射页表挂在 空间的mmu L1页表， L1为表头
    } else {
        processCB->vmSpace = LOS_GetKVmSpace();//内核共用一个虚拟空间，内核进程 常驻内存
    }

#ifdef LOSCFG_SECURITY_VID
    status = VidMapListInit(processCB);
    if (status != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("VidMapListInit failed!\n");
        return LOS_ENOMEM;
    }
#endif
#ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY
    OsInitCapability(processCB);
#endif

    if (OsSetProcessName(processCB， name) != LOS_OK) {
        return LOS_ENOMEM;
    }

    return LOS_OK;
}

//拷贝一个Task过程
STATIC UINT32 OsCopyTask(UINT32 flags， LosProcessCB *childProcessCB， const CHAR *name， UINTPTR entry， UINT32 size)
{
    LosTaskCB *childTaskCB = NULL;
    TSK_INIT_PARAM_S childPara = { 0 };
    UINT32 ret;
    UINT32 intSave;
    UINT32 taskID;

    OsInitCopyTaskParam(childProcessCB， name， entry， size， &childPara);//初始化Task参数

    ret = LOS_TaskCreateOnly(&taskID， &childPara);//只创建任务，不调度
    if (ret != LOS_OK) {
        if (ret == LOS_ERRNO_TSK_TCB_UNAVAILABLE) {
            return LOS_EAGAIN;
        }
        return LOS_ENOMEM;
    }

    childTaskCB = OS_TCB_FROM_TID(taskID);//通过taskId获取task实体
    childTaskCB->taskStatus = OsCurrTaskGet()->taskStatus;//任务状态先同步，注意这里是赋值操作. ...01101001 
    if (childTaskCB->taskStatus & OS_TASK_STATUS_RUNNING) {//因只能有一个运行的task，所以如果一样要改4号位
        childTaskCB->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_RUNNING;//将四号位清0 ，变成 ...01100001 
    } else {//非运行状态下会发生什么?
        if (OS_SCHEDULER_ACTIVE) {//克隆线程发生错误未运行
            LOS_Panic("Clone thread status not running error status: 0x%x\n"， childTaskCB->taskStatus);
        }
        childTaskCB->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_UNUSED;//干净的Task
        childProcessCB->priority = OS_PROCESS_PRIORITY_LOWEST;//进程设为最低优先级
    }

    if (OsProcessIsUserMode(childProcessCB)) {//是否是用户进程
        SCHEDULER_LOCK(intSave);
        OsUserCloneParentStack(childTaskCB， OsCurrTaskGet());//拷贝当前任务上下文给新的任务
        SCHEDULER_UNLOCK(intSave);
    }
    OS_TASK_PRI_QUEUE_ENQUEUE(childProcessCB， childTaskCB);//将task加入子进程的就绪队列
    childTaskCB->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_READY;//任务状态贴上就绪标签
    return LOS_OK;
}
//把父任务上下文克隆给子任务
LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsUserCloneParentStack(LosTaskCB *childTaskCB， LosTaskCB *parentTaskCB)
{
    TaskContext *context = (TaskContext *)childTaskCB->stackPointer;
    VOID *cloneStack = (VOID *)(((UINTPTR)parentTaskCB->topOfStack + parentTaskCB->stackSize) - sizeof(TaskContext));
    //cloneStack指向 TaskContext
    LOS_ASSERT(parentTaskCB->taskStatus & OS_TASK_STATUS_RUNNING);//当前任务一定是正在运行的task

    (VOID)memcpy_s(childTaskCB->stackPointer， sizeof(TaskContext)， cloneStack， sizeof(TaskContext));//直接把任务上下文拷贝了一份
    context->R[0] = 0;//R0寄存器为0，这个很重要， pid = fork()  pid == 0 是子进程返回.
}

解读

      #define CLONE_VM       0x00000100 //子进程与父进程运行于相同的内存空间
      #define CLONE_FS       0x00000200 //子进程与父进程共享相同的文件系统，包括root、当前目录、umask
      #define CLONE_FILES    0x00000400 //子进程与父进程共享相同的文件描述符（file descriptor）表
      #define CLONE_SIGHAND  0x00000800 //子进程与父进程共享相同的信号处理（signal handler）表
      #define CLONE_PTRACE   0x00002000 //若父进程被trace，子进程也被trace
      #define CLONE_VFORK    0x00004000 //父进程被挂起，直至子进程释放虚拟内存资源
      #define CLONE_PARENT   0x00008000 //创建的子进程的父进程是调用者的父进程，新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”
      #define CLONE_THREAD   0x00010000 //Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准，子进程与父进程共享相同的线程群

此处不展开细说，进程之间发送信号用于异步通讯，系列篇有专门的篇幅说信号 (signal)，请自行翻看.

    pid = 0;//fork()的返回值，注意子进程并没有执行fork()，它只是通过恢复上下文获得了一个返回值.
    if (pid == 0) {
            message = "This is the child\n";
            n = 6;
        }

由此确保了这是子进程的返回。这是 fork() 最精彩的部分。一定要好好理解.OsCopyTask``OsUserCloneParentStack 的代码细节。会让你醍醐灌顶，永生难忘.

    $ ./a.out 
    This is the child
    This is the parent
    This is the child
    This is the parent
    This is the child
    This is the parent
    This is the child
    $ This is the child
    This is the child

写在最后

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