在 Linux 中，進程是我們非常熟悉的東東了，哪怕是只寫過一天代碼的人也都用過它。但是你確定它不是你最熟悉的陌生人？我們今天通過深度剖析進程的創建過程，幫助你提高對進程的理解深度。
在這篇文章中，我會用 Nginx 創建 worker 進程的例子作為引入，然后帶大家了解一些進程的數據結構 task_struct，最后再帶大家看一下 fork 執行的過程。
學習完本文，你將深度理解進程中的那些關鍵要素，諸如進程地址空間、當前目錄、父子進程關系、進程打開的文件 fd 表、進程命名空間等。也能學習到內核在保存已經使用的 pid 號時是如何優化內存占用的。我們展開今天的拆解！
一、Nginx 之 fork 創建 worker
在 Linux 進程的創建中，最核心的就是 fork 系統調用。不過我們先不著急介紹它，先拿多進程服務中的一個經典例子 - Nginx，來看看他是如何使用 fork 來創建 worker 的。
Nginx 服務采用的是多進程方式來工作的，它啟動的時候會創建若干個 worker 進程出來，來響應和處理用戶請求。創建 worker 子進程的源碼位于 nginx 源碼的 src/os/unix/ngx_process_cycle.c 文件中。通過循環調用 ngx_spawn_process 來創建 n 個 worker 出來。
在 ngx_spawn_process 中調用 fork 來創建進程，創建成功后 Worker 進程就將進入自己的入口函數中開始工作了。
二、Linux 中對進程的表示
在深入理解進程創建之前，我們先來看一下進程的數據結構。
在 Linux 中，是用一個 task_struct 來實現 Linux 進程的（其實 Linux 線程也同樣是用 task_struct 來表示的，這個我們以后文章單獨再說）。
我們來看看 task_struct 具體的定義，它位于 include/linux/sched.h
2.1 進程線程狀態
進程線程都是有狀態的，它的狀態就保存在 state 字段中。常見的狀態中 TASK_RUNNING 表示進程線程處于就緒狀態或者是正在執行。TASK_INTERRUPTIBLE 表示進程線程進入了阻塞狀態。
一個任務（進程或線程）剛創建出來的時候是 TASK_RUNNING 就緒狀態，等待調度器的調度。調度器執行 schedule 后，任務獲得 CPU 后進入 執行進行運行。當需要等待某個事件的時候，例如阻塞式 read 某個 socket 上的數據，但是數據還沒有到達的時候，任務進入 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態，任務被阻塞掉。
當等待的事件到達以后，例如 socket 上的數據到達了。內核在收到數據后會查看 socket 上阻塞的等待任務隊列，然后將之喚醒，使得任務重新進入 TASK_RUNNING 就緒狀態。任務如此往復地在各個狀態之間循環，直到退出。
一個任務（進程或線程）的大概狀態流轉圖如下。
全部的狀態值在 include/linux/sched.h 中進行了定義。
2.2 進程 ID
我們知道，每一個進程都有一個進程 id 的概念。在 task_struct 中有兩個相關的字段，分別是 pid 和 tgid。
其中 pid 是 Linux 為了標識每一個進程而分配給它們的唯一號碼，稱做進程 ID 號，簡稱 PID。對于沒有創建線程的進程(只包含一個主線程)來說，這個 pid 就是進程的 PID，tgid 和 pid 是相同的。
2.3 進程樹關系
在 Linux 下所有的進程都是通過一棵樹來管理的。在操作系統啟動的時候，會創建 init 進程，接下來所有的進程都是由這個進程直接或者間接創建的的。通過 pstree 命令可以查看你當前服務器上的進程樹信息。
那么，這棵進程樹就是由 task_struct 下的 parent、children、sibling 等字段來表示的。這幾個字段將系統中的所有 task 串成了一棵樹。
2.4 進程調度優先級
在 task_struct 中有幾個字段是表示進程優先級的，在進程調度的時候會根據這幾個字段來決定優先讓哪個任務（進程或線程）開始執行。
static_prio: 用來保存靜態優先級，可以調用 nice 系統直接來修改取值范圍為 100~139
rt_priority: 用來保存實時優先級,取值范圍為 0~99
prio: 用來保存動態優先級
normal_prio: 它的值取決于靜態優先級和調度策略
2.5 進程地址空間
對于用戶進程來講，內存描述符 mm_struct( mm 代表的是 memory descriptor)是非常核心的數據結構。整個進程的虛擬地址空間部分都是由它來表示的。
進程在運行的時候，在用戶態其所需要的代碼，全局變量數據，以及 mmap 內存映射等全部都是通過 mm_struct 來進行內存查找和尋址的。這個數據結構的定義位于 include/linux/mm_types.h 文件下。
其中 start_code、end_code 分別指向代碼段的開始與結尾、start_data 和 end_data 共同決定數據段的區域、start_brk 和 brk 中間是堆內存的位置、start_stack 是用戶態堆棧的起始地址。整個 mm_struct 和地址空間、頁表、物理內存的關系如下圖。
在內核內存區域，可以通過直接計算得出物理內存地址，并不需要復雜的頁表計算。而且最重要的是所有內核進程、以及用戶進程的內核態，這部分內存都是共享的。
另外要注意的是，mm（mm_struct）表示的是虛擬地址空間。而對于內核線程來說，是沒有用戶態的虛擬地址空間的。所以內核線程的 mm 的值是 null。
2.6 進程文件系統信息（當前目錄等）
進程的文件位置等信息是由 fs_struct 來描述的，它的定義位于 include/linux/fs_struct.h 文件中。
通過以上代碼可以看出，在 fs_struct 中包含了兩個 path 對象，而每個 path 中都指向了一個 struct dentry。在 Linux 內核中，denty 結構是對一個目錄項的描述。
拿 pwd 來舉例，該指針指向的是進程當前目錄所處的 denty 目錄項。假如我們在 shell 進程中執行 pwd，或者用戶進程查找當前目錄下的配置文件的時候，都是通過訪問 pwd 這個對象，進而找到當前目錄的 denty 的。
2.7 進程打開的文件信息
每個進程用一個 files_struct 結構來記錄文件描述符的使用情況， 這個 files_struct 結構稱為用戶打開文件表。它的定義位于 include/linux/fdtable.h。
注意：飛哥用的內核源碼一直是 3.10.0, 所以本文也不例外。不同版本的源碼這里稍微可能有些出入。
在 files_struct 中，最重要的是在 fdtable 中包含的 file **fd 這個數組。這個數組的下標就是文件描述符，其中 0、1、2 三個描述符總是默認分配給標準輸入、標準輸出和標準錯誤。這就是你在 shell 命令中經常看到的 2>&1 的由來。這幾個字符的含義就是把標準錯誤也一并打到標準輸出中來。
在數組元素中記錄了當前進程打開的每一個文件的指針。這個文件是 Linux 中抽象的文件，可能是真的磁盤上的文件，也可能是一個 socket。
2.8 namespaces
在 Linux 中，namespace 是用來隔離內核資源的方式。通過 namespace 可以讓一些進程只能看到與自己相關的一部分資源，而另外一些進程也只能看到與它們自己相關的資源，這兩撥進程根本就感覺不到對方的存在。
具體的實現方式是把一個或多個進程的相關資源指定在同一個 namespace 中，而進程究竟是屬于哪個 namespace，都是在 task_struct 中由 *nsproxy 指針表明了這個歸屬關系。
命名空間包括PID命名空間、掛載點命名空間、網絡命名空間等多個。飛哥在咱們「開發內功修煉」前面的一篇文章《動手實驗+源碼分析，徹底弄懂Linux網絡命名空間》這一文中詳細介紹過網絡命名空間，感興趣的同學可以詳細閱讀。
三、解密 fork 系統調用
前面我們看了 Nginx 使用 fork 來創建 worker 進程，也了解了進程的數據結構 task_struct ，我們再來看看 fork 系統調用的內部邏輯。
這個 fork 在內核中是以一個系統調用來實現的，它的內核入口是在 kernel/fork.c 下。
這里注意下調用 do_fork 時傳入的第一個參數，這個參數是一個 flag 選項。它可以傳入的值包括 CLONE_VM、CLONE_FS 和 CLONE_FILES 等等很多，但是這里只傳了一個 SIGCHLD（子進程在終止后發送 SIGCHLD 信號通知父進程），并沒有傳 CLONE_FS 等其它 flag。
在 do_fork 的實現中，核心是一個 copy_process 函數，它以拷貝父進程的方式來生成一個新的 task_struct 出來。
在創建完畢后，調用 wake_up_new_task 將新創建的任務添加到就緒隊列中，等待調度器調度執行。
copy_process 的代碼很長，我對其進行了一定程度的精簡，參加下面的代碼。
可見，copy_process 先是復制了一個新的 task_struct 出來，然后調用 copy_xxx 系列的函數對 task_struct 中的各種核心對象進行拷貝處理，還申請了 pid。接下來我們分小節來查看該函數的每一個細節。
3.1 復制進程 task_struct 結構體
注意一下，上面調用 dup_task_struct 時傳入的參數是 current，它表示的是當前進程。在 dup_task_struct 里，會申請一個新的 task_struct 內核對象，然后將當前進程復制給它。需要注意的是，這次拷貝只會拷貝 task_struct 結構體本身，它內部包含的 mm_struct 等成員只是復制了指針，仍然指向和 current 相同的對象。
3.2 拷貝 files_struct
由于進程之間都是獨立的，所以創建出來的新進程需要拷貝一份獨立的 files 成員出來。
我們看 copy_files 是如何申請和拷貝 files 成員的。
看上面代碼中判斷了是否有 CLONE_FILES 標記，如果有的話就不執行 dup_fd 函數了，增加個引用計數就返回了。前面我們說了，do_fork 被調用時并沒有傳這個標記。所以還是會執行到 dup_fd 函數：
這個函數就是到內核中申請一塊內存出來，保存 files_struct 使用。然后對新的 files_struct 進行各種初始化和拷貝。至此，新進程有了自己獨立的 files 成員了。
3.3 拷貝 fs_struct
同樣，新進程也需要一份獨立的文件系統信息 - fs_struct 成員的。
在創建進程的時候，沒有傳遞 CLONE_FS 這個標志，所會進入到 copy_fs_struct 函數中申請新的 fs_struct 并進行賦值。
3.4 拷貝 mm_struct
前面我們說過，對于進程來講，地址空間是一個非常重要的數據結構。而且進程之間地址空間也必須是要隔離的，所以還會新建一個地址空間。
do_fork 被調用時也沒有傳 CLONE_VM，所以會調用 dup_mm 申請一個新的地址空間出來。
在 dup_mm 中，通過 allocate_mm 申請了新的 mm_struct，而且還將當前進程地址空間 current->mm 拷貝到新的 mm_struct 對象里了。
地址空間是進程線程最核心的東西，每個進程都有獨立的地址空間
3.5 拷貝進程的命名空間 nsproxy
在創建進程或線程的時候，還可以讓內核幫我們創建獨立的命名空間。在默認情況下，創建進程沒有指定命名空間相關的標記，因此也不會創建。新舊進程仍然復用同一套命名空間對象。
注意下，在調用 alloc_pid 的時候，其參數傳遞的是新進程的 pid namespace。我們來深看一下 alloc_pid 的執行邏輯。
這里的 PID 并不是一個整數，而是一個結構體，所以先試用 kmem_cache_alloc 把它申請出來。接下來調用 alloc_pidmap 到 pid 命名空間中申請一個 pid 號出來，申請完后賦值記錄。
回顧我們開篇提到的一個問題：操作系統是如何記錄使用過的進程號的？在 Linux 內部，為了節約內存，進程號是通過 bitmap 來管理的。
在每一個 pid 命名空間內部，會有一個或者多個頁面來作為 bitmap。其中每一個 bit 位（注意是 bit 位，不是字節）的 0 或者 1 的狀態來表示當前序號的 pid 是否被占用。
在各種語言中，一般一個 int 都是 4 個字節，換算成 bit 就是 32 bit。而使用這種 bitmap 的思想的話，只需要一個 bit 就可以表示一個整數，相當的節約內存。所以，在很多超大規模數據處理中都會用到這種思想來進行優化內存占用的。
3.7 進入就緒隊列
當 copy_process 執行完畢的時候，表示新進程的一個新的 task_struct 對象就創建出來了。接下來內核會調用 wake_up_new_task 將這個新創建出來的子進程添加到就緒隊列中等待調度。
等操作系統真正調度開始的時候，子進程中的代碼就可以真正開始執行了。
四、總結
在這篇文章中，我用 Nginx 創建 worker 進程的例子作為引入，然后帶大家了解一些進程的數據結構 task_struct，最后又帶大家看一下 fork 執行的過程。
在 fork 創建進程的時候，地址空間 mm_struct、掛載點 fs_struct、打開文件列表 files_struct 都要是獨立擁有的，所以都去申請內存并初始化了它們。但由于今天我們的例子父子進程是同一個命名空間，所以 nsproxy 還仍然是共用的。
其中 mm_struct 是一個非常核心的數據結構，用戶進程的虛擬地址空間就是用它來表示的。對于內核線程來講，不需要虛擬地址空間，所以 mm 成員的值為 null。
另外還學到了內核是用 bitmap 來管理使用和為使用的 pid 號的，這樣做的好處是極大地節約了內存開銷。而且由于數據存儲的足夠緊湊，遍歷起來也是非常的快。一方面原因是數據小，加載起來快。另外一方面是會加大提高 CPU 緩存的命中率，訪問非常快。
今天的進程創建過程就學習完了。不過細心的同學可能發現了，我們這里只介紹了子進程的調用。但是對于 Nginx 主進程如何加載起來執行的還沒有講到。我們將來還會展開敘述，敬請期待！
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