Linux内核进程管理

用户通过fork()创建子进程，内核中采用一种称为COW的技术，通过copy-on-write的方式来减少复制，也就是当子进程真正要写入的时候才会复制地址空间的页面。所以在写入之前，fork()只会复制父进程的页表并生成一个进程ID号。还有一个vfork()，相比fork()的好处就是不复制父进程的页表，因为不复制页表，所以子进程不能去写地址空间，由于这样的限制，现在已经不推荐用vfork()了。

在Linux中不区分进程和线程，创建线程都是通过clone()来实现的，例如fork()在底层也是调用clone()。 Linux还有一种内核线程，通过kthread_run()创建。

首先要区分一下进程与线程，Linux内核中进程和线程都是一个执行体，所以没有区别。用户空间通过系统调用clone来复制一个任务，如果是创建线程，则需要传递如下标志：

CLONE_FILES

共享文件描述表

CLONE_PARENT

不用设置父子关系

CLONE_VM

共享内存空间

CLONE_THREAD

共享信号

创建进程需要多做的工作是复制页表、创建COW内存映射。至于上下文切换，如果是线程那么切换代价可能会小一点，因为数据可能已经在CPU cache中，当然即便没有共享切换也很快，这由内核努力来保证。对于多核处理器，不共享反而可能更快，因为同步共享内存代价很大。

归纳用户空间进程与线程的区别如下表所示：

值得一提的是vfork()，父进程在子进程返回之后才执行，调用vfork()之后一般会调用execv()启动一个全新进程，因此不需要复制父进程资源空间。当execv()返回时父进程就认为子进程结束了，实际上子进程在一个完全独立的空间运行。

这里顺便在比较一下fork和vfork的区别，fork将父进程的内存数据复制到子进程，而vfork则共享父进程的内存数据。而且vfork在执行上是有要求的，子进程先执行，并且在子进程调用exit()/exec()之后父进程才会执行。并且vfork的存在也是一个历史原因，因为最初的fork没有使用COW技术，而很多程序fork之后调用exec来执行外部程序就退出了，所以复制父进程的数据显得很多余，才发明了vfork，而如今fork使用了COW技术，vfork又显得很多余了。比较有趣的是如果你在vfork子进程中调用return语句，因为父子栈共享，所以整个栈就回收了，父进程在接收到子进程退出之后开始执行vfork之后的代码，但是此时父进程的栈已经被回收，程序崩溃。

进程间的独立性比较有助于编写简练的代码，如TCP服务端父进程accept之后返回描述符fda，在fork的子进程中可以直接使用fda，因为子进程会复制文件描述符，父进程就可以继续accept下一个请求。如果换成多线程，子线程就必须自己去复制fda，但是由要保证在父进程执行下一个accept之前复制完成，这就必须要通过通信来完成，处理上就比较麻烦。

进程间通信包括：文件、信号、socket、消息队列、管道/命名管道、信号量、共享内存、内存映射等。而线程间通信除了包括进程间通信的方法外，还有：互斥量、自旋锁、读写锁、条件变量、线程信号、全局变量。进程间的通信要么需要切换内核上下文，要么需要与外设访问，如命名管道、文件，所以效率低。

进程间如果使用共享内存，为了保证数据写入安全需要和信号量一起使用，如果使用消息队列，则因消息队列本身是原子操作而自动互斥。共享内存有比较大的好处，因为共享内存脱离进程，当进程意外终止时不会被回收，可以用来分析故障原因，程序重启之后还有机会继续处理未完成任务。当然也有明显的缺点，如加锁后崩溃重启，再次加锁会死锁，也存在被其它进程误操作的可能。

当父进程先于子进程结束时，孤儿进程将有init收养。子进程先于父进程终止，而父进程由没有调用wait或waitpid时，子进程进入僵死状态。

早期的进程间通信只有管道、信号、文件。但是很不灵活，因此后来又引入了共享内存/信号量、内存映射、消息队列。再后来又增加了远程进程通信，即socket。

pipe的通信起始就是利用pipefs来通信，父进程调用pipe创建两个文件描述符，再fork两个子进程，让两个子进程相互通信。相对来说限制比较多，一个只能读，一个只能写。命名管道的好处是允许无亲缘关系的进程之间通信。

共享内存提供一种方式可让两个进程同时访问一块内存，但是本身没有提供同步机制，所以需要和信号量配合使用。另外共享内存有大小限制，具体数值可以查看：cat /proc/sys/kernel/shmmax。默认值为32MB，可以通过如下命令来修改：

sysctl -w kernel.shmmax=2147483648

也可以将如下命令放到/etc/rc.local启动文件中。

echo "2147483648" > /proc/sys/kernel/shmmax

不过从安全性考虑，有句格言是：不要通过共享内存来通信，要通过通信来共享内存。

内存映射和共享内存有相似之处，只不过共享内存用key来指定共享区，而内存映射用文件来指定共享区。

消息队列则和命名管道相似，但是可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。同管道一样每个数据块有长度限制。

补充文档：

• Linux进程间通信——使用信号
• Linux进程间通信——信号集函数
• Linux进程间通信——使用匿名管道
• Linux进程间通信——使用命名管道
• Linux进程间通信——使用共享内存
• Linux进程间通信——使用信号量
• Linux进程间通信——使用消息队列

一般用数组管理一组进程ID，不用的进程将其挂起，用pause()、信号量、IPC阻塞皆可。当有任务时将其唤醒，可以用信号将其唤醒，可以用函数指针告诉它该做什么，通过共享内存指定要处理的数据。处理完成之后再执行一次通信通知已经处理完成即可。最后需要回收所有子进程，这可以向各进程发送信号唤醒，改变激活状态让其主动结束，逐个wait()。

线程池则更为轻量级，调度不用等待额外的资源，通过条件变量就可以控制线程阻塞和激活。线程通信的效率也很高，整个程序结束时通过改变条件让子线程自己结束，最后逐个回收即可。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
    int i;

    for(i = 2; i != 0; --i) {
        fork();
        printf("ppid=%d, pid=%d, i=%d\n", getppid(), getpid(), i);
        if (flush)
            fflush(stdout);
    }

    wait(NULL);
    wait(NULL);
    return 0;
}

如果不flush，则结果如下：

如果加上flush，则输出是这样的：

简单分析一下为什么会出现如此奇怪的输出，如果不调用fflush父进程的内存会复制到子进程，所以子进程在打印的时候，顺带又打印了一次父进程的内容。仔细分析上面的数据关系你就会发现，只会在第一次fork出的子进程才会复制。即A两个子进程BC、只有B会打印A的内容，但是B只有一个子进程D，所以D也会打印B的内容。