2014-04-09-process-relationship.md

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post	进程之间的关系	进程	进程之间的关系...	父进程 子进程 写时复制 fork vfork pidhash

进程之间除了ID连接的关系之外，内核还负责管理建立在UNIX进程创建模型之上的『家族关系』。

进程之间的关系

如果进程A分支形成进程B，进程A称之为父进程，而进程B称之为子进程。如果进程A分支若干次形成几个子进程B、C、D，则这几个子进程之间称为兄弟关系。

下面简单的列举了进程描述符中相关亲属关系的描述，进程描述符结构可以看《进程描述符》，进程数据结构可以看《进程链表》。

字段名	说明
real_parent	指向创建了P的进程描述符，如果P的父进程不存在，就指向进程init的描述符
parent	指向P的当前父进程，当此进程终止时，必须向父进程发信号
children	链表的头部，链表中的所有元素都是P创建的子进程
sibling	指向兄弟进程链表中的下一个元素或前一个元素的指针，这些兄弟进程的父进程都是P

建立非亲属关系的进程描述符字段有：

字段名	说明
group_leader	P所在进程组的组长的描述符指针
signal->pgrp	P所在进程组的组长的PID
tgid	P所在线程组的组长的PID
signal->session	P的登录会话组长的PID
ptrace_children	链表的头，该聊表包含所有被debugger程序跟踪的P的子进程
ptrace_list	指向锁跟踪进程的实际父进程链表的前一个和下一个元素

pidhash表及链表

系统调用提供服务的时候会发生如下情况，当进程P1希望向另一个进程P2发送一个信号时，P1调用kill()系统调用，其参数为P2的PID，内核从这个PID导出其对应的进程描述符，然后从P2的进程描述符中取出记录挂起信号的数据结构指针。顺序扫描进程描述符的pid字段是相当低效的，为了加速查找，引入了4个散列表，分别为：

Hash表的类型	说明
PIDTYPE_PID	进程的PID
PIDYTPE_TGID	进程组的组长的PID
PIDTYPE_PGID	进程组的组长的PID
PIDTYPE_SID	会话组长的PID

内核初始化期间动态地为4个散列表分配空间，并把它们的地址存入pid_hash数据组，一个散列表的长度依赖于可用的RAM的容量。用pid_hashfn把PID转换为表索引。pid_hash函数并不一定能保证与表的索引一一对应，不同的PID可能会存在相同的key，就会发生冲突。Linux利用链表来处理冲突。

进程复制

传统的UNIX中用于复制进程的系统调用是fork，但它并不是Linux为此实现的唯一调用，Linux实现了3个。

(1) fork是重量级调用，因为它建立了父进程的一个完整副本，然后作为子进程。

(2) vfork¹类似于fork，但并不创建父进程数据的副本，相反，父子进程共享数据，节省了大量的CPU。vfork设计用于子进程形成后立即执行execve系统调用，在子进程退出或开始新程序之前，父进程处于堵塞状态。

(3) clone用于产生线程，可以堆父子进程之间的共享、复制进行精确控制。

所有的3个fork机制最终都调用了kernel/fork.c中的do_fork函数，在do_fork中，大多数工作都是由copy_process函数完成的。

写时复制

内核使用了写时复制（Copy-On-Write, COW）技术，为防止在fork执行时将父进程的所有数据复制到子进程。因为这样的操作使用的很长的时间，并且耗费了大量的内存。如果应用程序在进程复制之后使用exec立即加载新程序，那么就表明之前的操作完全时没有必要的，因为拷贝了父进程的数据，但立即刷出内存用于新程序。所以内核不复制进程的整个地址空间，而是只复制其页表，这样就建立了虚拟地址空间和物理内存页之间的联系。

当父子进程不允许修改彼此的页，只能够共享的读取数据，则可以共享内存区域。如果任意一个进程试图向复制的内存页中写入数据，那么处理器会向内核报告访问错误，这类错误通常会被视作缺页异常。内核然后查看额外的内存管理数据结构，检查该页是否可以用读写模式访问。如果该页只能以只读模式访问，则向应用程序报告段错误，如果是可写的，内核会创建该页专用于当前进程的副本，并与父进程独立开。

Footnotes

1. 由于写时复制技术，现在不推荐使用vfork。 ↩