linux下的 fork vfork和clone函数

Linux的用户进程不能直接被创建出来，因为不存在这样的API。它只能从某个进程中复制出来，再通过exec这样的API来切换到实际想要运行的程序文件。

    复制的API包括三种：fork、clone、vfork。

    这三个API的内部实际都是调用一个内核内部函数do_fork，只是填写的参数不同而已。

    vfork，其实就是fork的部分过程，用以简化并提高效率。而fork与clone是区别的。fork是进程资源的完全复制，包括进程的PCB、线程的系统堆栈、进程的用户空间、进程打开的设备等。而在clone中其实只有前两项是被复制了的，后两项都与父进程共享。

    在四项资源的复制中，用户空间是相对庞大的，如果完全复制则效率会很低。在Linux中采用的“写时复制”技术，也就是说，fork执行时并不真正复制用户空间的所有页面，而只是复制页面表。这样，无论父进程还是子进程，当发生用户空间的写操作时，都会引发“写复制”操作，而另行分配一块可用的用户空间，使其完全独立。这是一种提高效率的非常有效的方法。

     而对于clone来说，它们连这些页面表都是与父进程共享，故而是真正意义上的共享，因此对共享数据的保护必须有上层应用来保证。

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在Linux中主要提供了fork、vfork、clone三个进程创建方法。

fork

fork创建一个进程时，子进程只是完全复制父进程的资源，复制出来的子进程有自己的task_struct结构和pid,但却复制父进程其它所有的资源。例如，要是父进程打开了五个文件，那么子进程也有五个打开的文件，而且这些文件的当前读写指针也停在相同的地方。所以，这一步所做的是复制。这样得到的子进程独立于父进程， 具有良好的并发性，但是二者之间的通讯需要通过专门的通讯机制，如：pipe，共享内存等机制， 另外通过fork创建子进程，需要将上面描述的每种资源都复制一个副本。这样看来，fork是一个开销十分大的系统调用，这些开销并不是所有的情况下都是必须的，比如某进程fork出一个子进程后，其子进程仅仅是为了调用exec执行另一个可执行文件，那么在fork过程中对于虚存空间的复制将是一个多余的过程。但由于现在Linux中是采取了copy-on-write(COW写时复制)技术，为了降低开销，fork最初并不会真的产生两个不同的拷贝，因为在那个时候，大量的数据其实完全是一样的。写时复制是在推迟真正的数据拷贝。若后来确实发生了写入，那意味着parent和child的数据不一致了，于是产生复制动作，每个进程拿到属于自己的那一份，这样就可以降低系统调用的开销。所以有了写时复制后呢，vfork其实现意义就不大了。

fork()调用执行一次返回两个值，对于父进程，fork函数返回子程序的进程号，而对于子程序，fork函数则返回零，这就是一个函数返回两次的本质。

在fork之后，子进程和父进程都会继续执行fork调用之后的指令。子进程是父进程的副本。它将获得父进程的数据空间，堆和栈的副本，这些都是副本，父子进程并不共享这部分的内存。也就是说，子进程对父进程中的同名变量进行修改并不会影响其在父进程中的值。但是父子进程又共享一些东西，简单说来就是程序的正文段。正文段存放着由cpu执行的机器指令，通常是read-only的。

vfork

vfork系统调用不同于fork，用vfork创建的子进程与父进程共享地址空间，也就是说子进程完全运行在父进程的地址空间上，如果这时子进程修改了某个变量，这将影响到父进程。

因此，上面的例子如果改用vfork()的话，那么两次打印a,b的值是相同的，所在地址也是相同的。

但此处有一点要注意的是用vfork()创建的子进程必须显示调用exit()来结束，否则子进程将不能结束，而fork()则不存在这个情况。

Vfork也是在父进程中返回子进程的进程号，在子进程中返回0。

用 vfork创建子进程后，父进程会被阻塞直到子进程调用exec(exec，将一个新的可执行文件载入到地址空间并执行之。)或exit。vfork的好处是在子进程被创建后往往仅仅是为了调用exec执行另一个程序，因为它就不会对父进程的地址空间有任何引用，所以对地址空间的复制是多余的 ，因此通过vfork共享内存可以减少不必要的开销。

clone

    系统调用fork()和vfork()是无参数的，而clone()则带有参数。fork()是全部复制，vfork()是共享内存，而clone()是则可以将父进程资源有选择地复制给子进程，而没有复制的数据结构则通过指针的复制让子进程共享，具体要复制哪些资源给子进程，由参数列表中的clone_flags来决定。另外，clone()返回的是子进程的pid。

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fork,vfork,clone都是linux的系统调用，用来创建子进程的，但是大家在使用时经常混淆，这里给出具体例子讲解三者的联系与区别。

  

  我们知道，进程由4个要素组成：

  1.进程控制块：进程标志     2.进程程序块：可与其他进程共享  

  3.进程数据块：进程专属空间，用于存放各种私有数据以及堆栈空间。4.独立的空间（如果没有4则认为是线程）

   一、fork

    fork 创造的子进程复制了父亲进程的资源，包括内存的内容task_struct内容，新旧进程使用同一代码段,复制数据段和堆栈段，这里的复制采用了注明的copy_on_write技术，即一旦子进程开始运行，则新旧进程的地址空间已经分开，两者运行独立。如：

 int main() {        int num = 1;        int child;        if(!(child = fork())) {                 printf("This is son, his num is: %d. and his pid is: %d\n", ++num, getpid());        } else {                printf("This is father, his num is: %d, his pid is: %d\n", num, getpid());        }   }

执行结果为：

This is son, his num is: 2. and his pid is: 2139

This is father, his num is: 1, his pid is: 2138

从代码里面可以看出2者的pid不同，子进程改变了num的值，而父进程中的num没有改变。

总结：优点是子进程的执行独立于父进程，具有良好的并发性。缺点是两者的通信需要专门的通信机制，如pipe、fifo和system V等。有人认为这样大批量的复制会导致执行效率过低。其实在复制过程中，子进程复制了父进程的task_struct，系统堆栈空间和页面表，在子进程运行前，两者指向同一页面。而当子进程改变了父进程的变量时候，会通过copy_on_write的手段为所涉及的页面建立一个新的副本。因此fork效率并不低。

 二、vfork

  vfork函数创建的子进程完全运行在父进程的地址空间上，子进程对虚拟地址空间任何数据的修改都为父进程所见。这与fork是完全不同的，fork进程是独立的空间。另外一点不同的是vfork创建的子进程后，父进程会被阻塞，直到子进程执行exec（）和exit（）。如：

int main() {        int num = 1;        int child;        if(!(child = vfork())) {                 printf("This is son, his num is: %d. and his pid is: %d\n", ++num, getpid());        } else {                printf("This is father, his num is: %d, his pid is: %d\n", num, getpid());        }   }

运行结果为：

This is son, his num is: 2. and his pid is:4139
This is father, his num is: 2, his pid is: 4138

从运行结果可以看到vfork创建出的子进程（线程）共享了父进程的num变量，这一次是指针复制，2者的指针指向了同一个内存。

总结：当创建子进程的目的仅仅是为了调用exec（）执行另一个程序时，子进程不会对父进程的地址空间又任何引用。因此，此时对地址空间的复制是多余的，通过vfork可以减少不必要的开销。

  三、clone

  函数功能强大，带了众多参数，因此由他创建的进程要比前面2种方法要复杂。clone可以让你有选择性的继承父进程的资源，你可以选择想vfork一样和父进程共享一个虚存空间，从而使创造的是线程，你也可以不和父进程共享，你甚至可以选择创造出来的进程和父进程不再是父子关系，而是兄弟关系

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

这里fn是函数指针，我们知道进程的4要素，这个就是指向程序的指针，就是所谓的“剧本", child_stack明显是为子进程分配系统堆栈空间（在linux下系统堆栈空间是2页面，就是8K的内存，其中在这块内存中，低地址上放入了值，这个值就是进程控制块task_struct的值）,flags就是标志用来描述你需要从父进程继承那些资源， arg就是传给子进程的参数）。

clone的话下篇再详解吧。

转自：

http://blog.csdn.net/taolinke/article/details/4578242

http://qhwang.blogbus.com/logs/46874395.html

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7673d4a5010103x7.html