更换fork仓库 fork cow

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mob6454cc7a88c0 2024-05-13 12:39:30

文章标签 更换fork仓库 linux linux kernel 代码分析 #include 文章分类 云原生云计算

前段时间在学习内核的进程管理方面的东西，看了进程创建和进程调度的代码，想写个大而全的东西，即有内核代码分析，又有一些实验在效果上证明内核的代码。但是这篇文章很难产，感觉自己还是驾驭不了这个宏大的主题。好久没写文章了，今天就放弃这个想法，写一个简单的东西。

我们都知道fork创建进程的时候，并没有真正的copy内存，因为我们知道，对于fork来讲，有一个很讨厌的东西叫exec系列的系统调用，它会勾引子进程另起炉灶。如果创建子进程就要内存拷贝的的话，一执行exec，辛辛苦苦拷贝的内存又被完全放弃了。

内核采用的策略是写时拷贝，换言之，先把页表映射关系建立起来，并不真正将内存拷贝。如果进程读访问，什么都不许要做，如果进程写访问，情况就不同了，因为父子进程的内存空间是独立的，不应该互相干扰。所以这时候不能在公用同一块内存了，否则子进程的改动会被父进程觉察到。

下图是linux toolbox里面的一张图，比较好，我就拷贝出来了（如果有侵权通知立删），很好的解释了COW的原理。

更换fork仓库 fork cow_代码分析

下面我们看下，fork一个进程，在kernel/fork.c文件中那些函数调到了。vfork，fork，pthread_create，最终，都会调用do_fork，所不同的就是传递的标志位不同，标志位又控制父子进程，或者父进程和线程他们哪些资源是共用的，哪些资源需要各存一份。

1. <stdio.h>
2. <stdlib.h>
3. <unistd.h>
4. <sys/types.h>
5. <sys/wait.h>
6. <string.h>
7.  
8.  
9.  
10. int g_var[102400] = {0};
11. int main()
12. {
13. int l_var[102400] = {0};
14. (stderr,"g_var 's address is %lx\n",(unsigned long)g_var);
15.  
16. (stderr,"l_var 's address is %lx\n",(unsigned long)l_var);
17.  
18. (g_var,0,sizeof(g_var));
19. (l_var,0,sizeof(l_var));
20.  
21. (15);
22.  
23. int ret = fork();
24. if(ret < 0 )
25. {
26. (stderr,"fork failed ,nothing to do now!\n");
27. -1;
28. }
29.  
30. if(ret == 0)
31. {
32. (10);
33. (stderr, "I begin to write now\n");
34.  
35. (stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
36.                                (unsigned long)(g_var+2048),g_var[2048]);
37. [2048] = 4;
38. 39. (6);
40. (stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page fault\n",
41.                                 (unsigned long)(g_var+10240),g_var[10240]);
42. [10240] = 8;
43.  
44.  
45. (4);
46. (stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
47.                                 (unsigned long)(l_var+2048),l_var[2048]);
48. [2048] = 8;
49.  
50. (4);
51. (stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
52.                                  (unsigned long)(l_var+10240),l_var[10240]);
53. [10240] = 8;
54.                
55. }
56. if(ret >0)
57. {
58. (-1,NULL,0);
59. (stderr,"child process exit, now check the value\n");
60. (stderr,"g_var[%-6d] = %-4d\ng_var[%-6d] = %-4d\n",
61. ,g_var[2048],10240,g_var[10240]);
62. (stderr,"l_var[%-6d] = %-4d\nl_var[%-6d] = %-4d\n",
63. ,l_var[2048],10240,l_var[10240]);
64.  
65. ;
66. }
67.  
68. }

这里面执行了一个fork系统调用，我们调用下systemtap脚本看下他都调用了kernel/fork.c里面的那些函数：systemtap脚本如下：

1. .function("*@kernel/fork.c")
2. {
3. if(pid() == target())
4. { 
5. ("PID(%d) ,execname(%s) probe point:(%s) \n",pid(),execname(),pp());
6. } 
7. }
8.  
9. timer.s(60)
10. {
11. ();
12. }

1. :~/program/systemtap/process# stap fork_call.stp -x 7192
2. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("do_fork@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:1364")) 
3. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_process@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:978")) 
4. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_task_struct@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:221")) 
5. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("account_kernel_stack@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:141")) 
6. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("rt_mutex_init_task@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:941")) 
7. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_flags@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:923")) 
8. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:960")) 
9. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_files@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:747")) 
10. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_fs@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:727")) 
11. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:799")) 
12. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:854")) 
13. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init_group@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:826")) 
14. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:680")) 
15. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:624")) 
16. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:448")) 
17. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_alloc_pgd@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:403")) 
18. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init_aio@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:440")) 
19. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init_owner@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:951")) 
20. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_mmap@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:278")) 
21. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_io@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:774")) 
22. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("__cleanup_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:816")) 
23. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("__cleanup_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:916")) 
24. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570")) 
25. (7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509"))

fork调用了do_fork这个内核函数，这个函数比较大，主干程序是copy_process，这里有一系列的copy_xxx系列产品，这个系列产品会根据传进来的标志位，来决定那些资源子进程需要copy一份，那些不用拷贝了，直接用父进程的就可以了。我们关注的copy_mm这个函数，如果用户标志位中的CLONE_VM置了1，得了，和父进程共享一份就成了，不需要费劲在copy一份了：

1. if (clone_flags & CLONE_VM) {
2. (&oldmm->mm_users);
3. = oldmm;
4. ;
5. }

这个地方语意很怪，正常应该是CLONE_VM是1，我应该copy一份，但是正好相反，CLONE_XX意味值share_XX,意味着，不需要copy。

需要copy内存的话，真正干活的函数是dup_mm，pthread_create函数就不会走到dup_mm函数，因为他不需要copy一份父进程的内存空间，他是共用一份内存空间的。请看下面pthread_create引发的do_fork。

1. :~/program/C/process_share# ./pthread_cmp &
2. [3] 7787
3. :~/program/C/process_share# thread OUT
4. IN
5.  thread OUT
6.  
7. [2]- Done ./pthread_cmp
8. [3]+ Done ./pthread_cmp

1.  
2. :~/program/systemtap/process# stap fork_call.stp -x 7787
3. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("do_fork@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:1364")) 
4. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_process@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:978")) 
5. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("dup_task_struct@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:221")) 
6. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("account_kernel_stack@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:141")) 
7. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("rt_mutex_init_task@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:941")) 
8. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_flags@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:923")) 
9. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:960")) 
10. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_files@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:747")) 
11. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_fs@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:727")) 
12. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:799")) 
13. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:854")) 
14. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:680")) 
15. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("copy_io@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:774")) 
16. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570")) 
17. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509")) 
18. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("__cleanup_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:816")) 
19. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570")) 
20. (7787) ,execname(pthread_cmp) probe point:(kernel.function("mmput@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:509"))

dup_mm这里面有两个分支指的注意

1 mm_init-->mm_alloc_pgd
 
   2 dup_mmap

这两个分支真正将父进程的页表拷贝了一份，尤其是dup_mmap，沿着copy_page_range-->copy_pud_range---> copy_pmd_range--->copy_pte_range,一路向西，将页表拷贝了一份。

由于fork创建的子进程并没有拷贝整个内存，所以，当子进程修改内存某地址对应的值的时候，会产生缺页中断，page fault 。我的C程序中有will cause page fault的字样，只要是写时拷贝，就会出现page fault 。所以我们只需要在程序运行过程中监控page_fault，只要我们修改的变量的地址，引起了page fault，就证明fork 采用了COW 。

看监控程序systemtap脚本：

1. ! /usr/bin/env stap
2.  
3. , fault_address, fault_access
4.  global time_offset
5.  
6. { time_offset = gettimeofday_us() }
7.  
8. .pagefault {
9. if(pid() == target() || ppid() == target())
10. {
11. = gettimeofday_us() 
12. = pid() 
13. [p] = t
14. [p] = address
15. [p] = write_access ? "w" : "r"
16. } 
17. } 
18.                  
19. .pagefault.return {
20. if(pid() == target() || ppid() == target())
21. { 
22. =gettimeofday_us() 
23. = pid() 
24. if (!(p in fault_entry_time)) next 
25. = t - fault_entry_time[p] 
26. if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MINOR)) {
27. ="minor" 
28. } else if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MAJOR)) {
29. ="major" 
30. } else {
31. next #only want to deal with minor and major page faults
32. } 
33.  
34. ("%d:%d:%p:%s:%s:%d\n",
35. - time_offset, p, fault_address[p], fault_access[p], ftype, e)
36.                                                                                                                    
37.  
38.        #free up memory
39. [p]
40. [p]
41. [p]
42. }
43. }
44.  
45. .s(100){
46. exit();
47. }

systemtap脚本的含义是跟踪指定进程和子进程，如果有page fault 会打印一条记录出来。

下面看现象：

1. :~/program/C/process_share# g_var 's address is 804a060
2. 's address is bf8edf0c
3. to write now
4. address at 804c060 value(0 ) will cause page falut
5. address at 8054060 value(0 ) will cause page fault
6. address at bf8eff0c value(0 ) will cause page falut
7. address at bf8f7f0c value(0 )
8. .....

1. :~/program/systemtap# 
2. :~/program/systemtap# 
3. :~/program/systemtap# stap pfaults.stp -x 9081
4. :9081:0xb77ec72c:w:minor:35
5. :9092:0xb77ec728:w:minor:23
6. :9081:0xbf8edea8:w:minor:29
7.  
8. .....
9. 14768229:9092:0x0804c060:w:minor:13
10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20768379:9092:0x08054060:w:minor:37
20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 24768564:9092:0xbf8eff0c:w:minor:39
27. 28. 29. 30. 31. 32. 28768745:9092:0xbf8f7f0c:w:minor:39
33. ...
34.

这写个空格的出现是由于我手工敲的，因为中间有sleep，所以我有足够的时间敲回车。

产生了page_fault，证明了我们的推断。

另外我在调试的过程中发现，如果不调用memset，子进程退出后，父进程读访问数组指定位置的变量，也会出现page fault，有心的筒子可以自行验证。

提示：代码在写博客的过程中有一些微调，输出格式有调整，也有其他的一些微调，所以可能输出和代码对应并不是100% 。对此有困惑的筒子可以自行验证，总之我没有造假了，呵呵。

参考文献：

1 systemtap example

2 深入linux 内核架构

3 Linux Toolbox

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