# 系統程式設計 - `fork()`

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## 課程影片

### W13 2: vFork

{%youtube YEZxLtp-EbY %}

### sp-04-27

{%youtube AKyXwDPjKe8 %}

## 文件

[`fork(2)`](https://man7.org/linux/man-pages/man2/fork.2.html)。例子在 [`wait(2)`](https://man7.org/linux/man-pages/man2/wait.2.html) 裡面。

## `fork()`

`fork()` 會把呼叫它的行程「複製」一份，作為建立新行程的方法

> `fork()` creates a new process by duplicating the calling process. The new process is referred to as the *child process*. The calling process is referred to as the *parent process*.

## 冷知識

### Implementation of `fork()`

影片中的 *Implementation of `fork()`* 章節中提到的東西，可以拿 `trace-cmd` 追蹤 `fork1.c` 那個範例程式得到：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int globvar = 6; /* external variable in initialized data */
char buf[] = "a write to stdout\n";

int main(void)
{
	int var; /* automatic variable on the stack */
	pid_t pid;

	var = 88;
	if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf)-1)
		perror("write error");
	printf("before fork\n"); /* we don't flush stdout */

	if ((pid = fork()) < 0) {
		perror("fork error");
	} else if (pid == 0) {	/* child */
		globvar++; /* modify variables */
		var++;
	} else {
		sleep(2); /* parent */
	}

	printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globvar, var);
	exit(0);
}

把它編譯之後，使用以下命令：

$ sudo trace-cmd record \
	-p function_graph \
	--max-graph-depth 6 \
	-n *mutex* -n \
	*spin_* \
	-F ./fork1

再使用 `trace-cmd report`，並且搜尋 `fork` 出現在哪邊，就會發現以下的追蹤結果。裡面標出課程投影片中提到的相關函式：

  post_ttbr_update_workaround();
  el0_svc_handler() {
    el0_svc_common.constprop.0() {
      __arm64_sys_clone() {
        _do_fork() {
+         copy_process() {
            recalc_sigpending();
+           dup_task_struct();
            kmem_cache_alloc_trace();
+           copy_creds();
            __delayacct_tsk_init();
            acct_clear_integrals();
            cgroup_fork();
            sched_fork();
            audit_alloc();
            security_task_alloc();
+           copy_semundo();
+           dup_fd();
+           copy_fs_struct();
            kmem_cache_alloc();
            kmem_cache_alloc();
            __init_waitqueue_head();
            hrtimer_init();
            posix_cputimers_group_init();
            tty_audit_fork();
            sched_autogroup_fork();
            __init_rwsem();
+           dup_mm();
+           copy_namespaces();
+           copy_thread_tls();
            alloc_pid();
            user_disable_single_step();
            clear_tsk_latency_tracing();
            __percpu_down_read();
            cgroup_can_fork();
            ktime_get();
            ktime_get_with_offset();
            _raw_write_lock_irq();
            get_seccomp_filter();
            attach_pid();
            attach_pid();
            attach_pid();
            attach_pid();
            _raw_write_unlock_irq();
            proc_fork_connector();
            cgroup_post_fork();
            __percpu_up_read();
            uprobe_copy_process();
          }
          get_task_pid() {
            __rcu_read_lock();
            __rcu_read_unlock();
          }
          pid_vnr();
+         wake_up_new_task() {
            select_task_rq_fair();
            set_task_rq_fair();
            __task_rq_lock();
            update_rq_clock();
            post_init_entity_util_avg();
            activate_task();
            check_preempt_curr();
          }
          put_pid() {
            put_pid.part.0();
          }
        }
      }
    }
  }

### 只是不同風味的 `clone`

`fork()`, `vfork()`, `clone()` 等系統呼叫，其實只是不同「風味」的 `kernel_clone()`（在比較舊的核心是 `_do_fork()`）。如果去查原始程式碼，會發現 [`kernel/fork.c`](https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/kernel/fork.c#L2566) 中的 `fork` 的定義只是：

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
	struct kernel_clone_args args = {
		.exit_signal = SIGCHLD,
	};

	return kernel_clone(&args);
#else
	/* can not support in nommu mode */
	return -EINVAL;
#endif
}
#endif

而 `vfork` 則是：

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_VFORK
SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
	struct kernel_clone_args args = {
		.flags		= CLONE_VFORK | CLONE_VM,
		.exit_signal	= SIGCHLD,
	};

	return kernel_clone(&args);
}
#endif

`clone` 則是：

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
		 int __user *, parent_tidptr,
		 int __user *, child_tidptr,
		 unsigned long, tls)
{
	struct kernel_clone_args args = {
		.flags		= (lower_32_bits(clone_flags) & ~CSIGNAL),
		.pidfd		= parent_tidptr,
		.child_tid	= child_tidptr,
		.parent_tid	= parent_tidptr,
		.exit_signal	= (lower_32_bits(clone_flags) & CSIGNAL),
		.stack		= newsp,
		.tls		= tls,
	};

	return kernel_clone(&args);
}

他們除了使用的 `kernel_clone_args` 不同之外，其實都是不同程度的 `kernel_clone()`。

### 少了 `_do_fork()`，多了 `kernel_clone()`

在新版 (5.9 版之後) 的核心中，`_do_fork` 這個函式的名稱被改成了 `kernel_clone` （回傳值的型別也做了一些調整）。可以參考 LKML 上的 [*fork: introduce `kernel_clone()`*](https://patchwork.kernel.org/project/linux-kselftest/patch/[e-mail]/) 討論。不過因為我目前使用 Ubuntu 20.04 LTS，使用的核心是 5.4 版的，所以仍然會出現 `_do_fork()`。