fork，你拿什么证明你的写时拷贝（COW）

15080阅读　13评论2012-09-27　Bean_lee
分类：LINUX

    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。

    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. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3. #include<unistd.h>
  4. #include<sys/types.h>
  5. #include<sys/wait.h>
  6. #include<string.h>



  10. int g_var[102400] = {0};
  11. int main()
  12. {
  13.         int l_var[102400] = {0};
  14.         fprintf(stderr,"g_var 's address is %lx\n",(unsigned long)g_var);

  16.         fprintf(stderr,"l_var 's address is %lx\n",(unsigned long)l_var);

  18.         memset(g_var,0,sizeof(g_var));
  19.         memset(l_var,0,sizeof(l_var));

  21.         sleep(15);

  23.         int ret = fork();
  24.         if(ret < 0 )
  25.         {
  26.                 fprintf(stderr,"fork failed ,nothing to do now!\n");
  27.                 return -1;
  28.         }

  30.         if(ret == 0)
  31.         {
  32.                 sleep(10);
  33.                 fprintf(stderr, "I begin to write now\n");

  35.                 fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
  36.                                (unsigned long)(g_var+2048),g_var[2048]);
  37.                 g_var[2048] = 4;

  39.                 sleep(6);
  40.                 fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page fault\n",
  41.                                 (unsigned long)(g_var+10240),g_var[10240]);
  42.                 g_var[10240] = 8;


  45.                 sleep(4);
  46.                 fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
  47.                                 (unsigned long)(l_var+2048),l_var[2048]);
  48.                 l_var[2048] = 8;

  50.                 sleep(4);
  51.                 fprintf(stderr,"address at %-10lx value(%-6d) will cause page falut\n",
  52.                                  (unsigned long)(l_var+10240),l_var[10240]);
  53.                 l_var[10240] = 8;
  54.               
  55.         }
  56.         if(ret >0)
  57.         {
  58.                 waitpid(-1,NULL,0);
  59.                 fprintf(stderr,"child process exit, now check the value\n");
  60.                 fprintf(stderr,"g_var[%-6d] = %-4d\ng_var[%-6d] = %-4d\n",
  61.                                 2048,g_var[2048],10240,g_var[10240]);
  62.                 fprintf(stderr,"l_var[%-6d] = %-4d\nl_var[%-6d] = %-4d\n",
  63.                                 2048,l_var[2048],10240,l_var[10240]);

  65.                 return 0;
  66.         }

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

  9. probe timer.s(60)
  10. {
  11.         exit();
  12. }
    
  1. root@libin:~/program/systemtap/process# stap fork_call.stp -x 7192
  2. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("do_fork@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:1364"))
  3. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_process@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:978"))
  4. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_task_struct@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:221"))
  5. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("account_kernel_stack@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:141"))
  6. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("rt_mutex_init_task@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:941"))
  7. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_flags@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:923"))
  8. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:960"))
  9. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_files@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:747"))
  10. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_fs@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:727"))
  11. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:799"))
  12. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:854"))
  13. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("posix_cpu_timers_init_group@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:826"))
  14. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:680"))
  15. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_mm@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:624"))
  16. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:448"))
  17. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_alloc_pgd@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:403"))
  18. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init_aio@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:440"))
  19. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_init_owner@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:951"))
  20. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("dup_mmap@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:278"))
  21. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("copy_io@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:774"))
  22. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("__cleanup_sighand@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:816"))
  23. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("__cleanup_signal@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:916"))
  24. PID(7192) ,execname(fork_cow) probe point:(kernel.function("mm_release@/build/buildd/linux-2.6.32/kernel/fork.c:570"))
  25. PID(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.     atomic_inc(&oldmm->mm_users);
  3.     mm = oldmm;
  4.     goto good_mm;
  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. root@libin:~/program/C/process_share# ./pthread_cmp &
  2. [3] 7787
  3. root@libin:~/program/C/process_share# thread OUT
  4. thread IN
  5. thread OUT

  7. [2]- Done ./pthread_cmp
  8. [3]+ Done ./pthread_cmp


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

  3. global fault_entry_time, fault_address, fault_access
  4. global time_offset

  6. probe begin { time_offset = gettimeofday_us() }

  8. probe vm.pagefault {
  9.   if(pid() == target() || ppid() == target())
  10.   {
  11.       t = gettimeofday_us()
  12.       p = pid()
  13.       fault_entry_time[p] = t
  14.       fault_address[p] = address
  15.       fault_access[p] = write_access ? "w" : "r"
  16.   }
  17. }
  18.                 
  19. probe vm.pagefault.return {
  20.   if(pid() == target() || ppid() == target())
  21.   {
  22.       t=gettimeofday_us()
  23.       p = pid()
  24.       if (!(p in fault_entry_time)) next
  25.       e = t - fault_entry_time[p]
  26.       if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MINOR)) {
  27.         ftype="minor"
  28.       } else if (vm_fault_contains(fault_type,VM_FAULT_MAJOR)) {
  29.         ftype="major"
  30.       } else {
  31.         next #only want to deal with minor and major page faults
  32.       }

  34.       printf("%d:%d:%p:%s:%s:%d\n",
  35.       t - time_offset, p, fault_address[p], fault_access[p], ftype, e)
  36.                                                                                                                   

  38.       #free up memory
  39.       delete fault_entry_time[p]
  40.       delete fault_address[p]
  41.       delete fault_access[p]
  42.   }
  43. }

  45. probe timer.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. root@libin:~/program/C/process_share# g_var 's address is 804a060
  2. l_var 's address is bf8edf0c
  3. I begin 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 ) will cause page falut
  8. .....

  1. root@libin:~/program/systemtap#
  2. root@libin:~/program/systemtap#
  3. root@libin:~/program/systemtap# stap pfaults.stp -x 9081
  4. 4767196:9081:0xb77ec72c:w:minor:35
  5. 4767230:9092:0xb77ec728:w:minor:23
  6. 4767239:9081:0xbf8edea8:w:minor:29

  8. .....
  9. 14768229:9092:0x0804c060:w:minor:13









  19. 20768379:9092:0x08054060:w:minor:37






  26. 24768564:9092:0xbf8eff0c:w:minor:39





  32. 28768745:9092:0xbf8f7f0c:w:minor:39
  33. ...



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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