Linux后台开发的同学应该都使用过多进程或多线程来实现服务的开发，对于使用c/cpp的程序，一般通过fork/pthread_create等方式创建子进程或线程，今天就详细分析fork的具体实现细节。
首先，我们写个简单的例子，通过fork创建子进程，文件名叫p.c吧，代码如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
pid_tpid;
pid= fork();
if(pid < 0){
printf("errorin fork");
}else if (pid == 0){
printf("thisis child process, pid=%d\n", getpid());
}else {
printf("thisis parent process, pid=%d\n", getpid());
}
return0;
}
编译gcc –g p.c –o p，生成对应的二进制程序p
然后gdb单步执行：
当想跟踪fork函数体内的时候，出现Missingseparate debuginfos提示，因为没有对应的glibc源码信息，和调试vmcore类似，需要安装对应的debuginfo。
由于yum配置文件默认禁用了从对应的yum源下载debuginfo，所以需要先修改/etc/yum.repos.d/CentOS-Debuginfo.repo里面的debuginfo目录中enabled=1
然后执行debuginfo-install glibc-2.17-292.el7.x86_64
安装完成后，再执行gdb。
然后打开glibc源码对应的文件sysdeps/nptl/fork.c
真正执行fork的逻辑函数入口是arch_fork
这里会从系统调用符号表找到__NR_clone系统调用（具体系统调用可参考之前的文章说一说linux系统调用）。
从上面可以看到arch_fork会通过系统调用最终clone。
另外，这里多说一点就是也可以通过strace也能看到系统调用是clone
好了，知道fork调用的是clone，那么我们找到对应的内核源码吧。
（之前的文章忘记说内核版本了，文章里没有特定说明的话，默认的内核版本是5.5.0）
源码位置kernel/fork.c
最终都是调用_do_fork函数。接下来重点看_do_fork具体做了什么事情
其中，copy_process是创建子进程task_struct，并将父进程task_struct数据复制给子进程task_struct
copy_process主要逻辑是：
调用dup_task_struct为新进程创建内核堆栈，包括task_struct和thread_info；
调用copy_creds，为子进程创建新的凭证信息；
调用init_sigpending清除掉挂起的信号；
调用sched_fork()来分割父子进程之间的剩余时间片，将子进程状态置为TASK_NEW；
拷贝进程的所有信息（包括sem、files、fs、sighand、signal、mm、namespaces、io、thread_tls，分别调用copy_semundo()，copy_files(),copy_fs(),copy_sighand(),copy_signal(),copy_mm(),
copy_namespaces(),copy_io(),copy_thread_tls()函数，涉及到的东西比较多，因此就不一一细说了，接下来会以copy_files()为例说下是如何从父进程copy信息的）；
调用alloc_pid，为子进程分配PID；
调用copy_thread_tls，函数里面将寄存器%ax置为0，也是子进程pid返回0的原因
Copy_process中核心调用之一是dup_task_struct：为子进程分配task_struct和thread_info结构并初始化（用父进程数据进行初始化）
dup_task_struct只是对task_struct和thread_info进行分配，并不会分配pid号，pid号是在alloc_pid()函数中进行分配的
alloc_pid为子进程分配pid号，分配策略是循环遍历[min,pid_max)，找到没有被使用的pid，pid_max是内核参数，定义在/proc/sys/kernel/pid_max 默认值是32768，如果超过pid_max，即内核查找从min到pid_max没有未使用的pid号时，则内核会报fork error cannot allocate memory。这也是为什么有的时候我们能排查问题时发现系统内存充足，但提示cannot allocate memory的原因。
接下来说下copy_files()函数：
copy_files函数核心掉用是dup_fd():
structfiles_struct *dup_fd(struct files_struct *oldf, int *errorp)
{
struct files_struct *newf;
struct file **old_fds, **new_fds;
unsigned int open_files, i;
struct fdtable *old_fdt, *new_fdt;
*errorp = -ENOMEM;
newf = kmem_cache_alloc(files_cachep,GFP_KERNEL);//slab内存 分配存储空间
if (!newf)
goto out;
atomic_set(&newf->count,1)//files_struct的count设置为1
spin_lock_init(&newf->file_lock);
newf->resize_in_progress = false;
init_waitqueue_head(&newf->resize_wait);
newf->next_fd = 0;
new_fdt = &newf->fdtab;
new_fdt->max_fds = NR_OPEN_DEFAULT;//打开最大文件数，默认是64
new_fdt->close_on_exec =newf->close_on_exec_init;
new_fdt->open_fds =newf->open_fds_init;
new_fdt->full_fds_bits =newf->full_fds_bits_init;
new_fdt->fd =&newf->fd_array[0];
spin_lock(&oldf->file_lock);
old_fdt = files_fdtable(oldf);//获取父进程的文件描述符信息
open_files = count_open_files(old_fdt);//统计父进程的文件描述符数
/*
*Check whether we need to allocate a larger fd array and fd set.
*/
//内核会检查父进程打开文件的个数。如果父进程打开的文件超过了64个，
//struct files_struct中自带的数组和位图就不能满足需要了。这种情况下内核会分配一个新的struct fdtable
while (unlikely(open_files >new_fdt->max_fds)) {
spin_unlock(&oldf->file_lock);
if (new_fdt !=&newf->fdtab)
__free_fdtable(new_fdt);
new_fdt = alloc_fdtable(open_files- 1);//分配新的文件描述符table
if (!new_fdt) {
*errorp = -ENOMEM;
goto out_release;
}
/* beyond sysctl_nr_open; nothingto do */
// //超出系统单个进程打开的最大文件描述符数fs.nr_open =1048576，则报错返回（注意这里要和file-max区分开，file-max指的是内核可分配的最大文件数）
if (unlikely(new_fdt->max_fds< open_files)) {
__free_fdtable(new_fdt);
*errorp = -EMFILE;
goto out_release;
}
/*
* Reacquire the oldf lock and a pointer to itsfd table
* who knows it may have a new bigger fd table.We need
* the latest pointer.
*/
spin_lock(&oldf->file_lock);
old_fdt = files_fdtable(oldf);
open_files = count_open_files(old_fdt);
}
copy_fd_bitmaps(new_fdt, old_fdt,open_files);//copy父进程的文件bitmap
old_fds = old_fdt->fd;
new_fds = new_fdt->fd;
//将父进程的open_files个文件描述符copy给子进程
for (i = open_files; i != 0; i--) {
struct file *f = *old_fds++;
if (f) {
get_file(f);//f对应的文件的引用计数加1
} else {
/*
* The fd may be claimed in the fd bitmap butnot yet
* instantiated in the files array if a siblingthread
* is partway through open(). So make sure that this
* fd is available to the new process.
*/
__clear_open_fd(open_files- i, new_fdt);
}
//子进程的struct file类型指针, 指向和父进程相同的struct file 结构体
rcu_assign_pointer(*new_fds++, f);
}
spin_unlock(&oldf->file_lock);
/* clear the remainder */
memset(new_fds, 0, (new_fdt->max_fds -open_files) * sizeof(struct file *));
rcu_assign_pointer(newf->fdt,new_fdt);
return newf;
out_release:
kmem_cache_free(files_cachep, newf);
out:
return NULL;
}
分配完子进程所需要的结构之后，子进程就已经完整的创建出来了，接下来就是调用wake_up_new_task()函数，设置子进程状态为TASK_RUNNING，并将子进程唤醒并放入就绪队列里。
以上就是fork的逻辑，从fork具体实现我们可以了解创建一个子进程内核到底做了哪些事情，在我们实际工作中，对同类问题定位有一定的帮助。
