Роберт Лав - Разработка ядра Linux

Копирование при записи

Традиционно при выполнении функции fork() делался дубликат всех ресурсов родительского процесса и передавался порожденному. Такой подход достаточно наивный и неэффективный. В операционной системе Linux вызов fork() реализован с использованием механизма копирования при записи (copy-on-write) страниц памяти. Технология копирования при записи (copy-on-write, COW) позволяет отложить или вообще предотвратить копирование данных. Вместо создания дубликата адресного пространства процесса родительский и порожденный процессы могут совместно использовать одну и ту же копию адресного пространства. Однако при этом данные помечаются особым образом, и если вдруг один из процессов начинает изменять данные, то создается дубликат данных, и каждый процесс получает уникальную копию данных. Следовательно, дубликаты ресурсов создаются только тогда, когда в эти ресурсы осуществляется запись, а до того момента они используются совместно в режиме только для чтения (read-only). Такая техника позволяет задержать копирование каждой страницы памяти до того момента, пока в эту страницу памяти не будет осуществляться запись. В случае, если в страницы памяти никогда не делается запись, как, например, при вызове функции exec() сразу после вызова fork(), то эти страницы никогда и не копируются. Единственные накладные расходы, которые вносит вызов функции fork(), — это копирование таблиц страниц родительского процесса и создание дескриптора порожденного процесса. Данная оптимизация предотвращает ненужное копирование большого количества данных (размер адресного пространства часто может быть более 10 Мбайт), так как процесс после разветвления в большинстве случаев сразу же начинает выполнять новый исполняемый образ. Эта оптимизация очень важна, потому чти идеология операционной системы Unix предусматривает быстрое выполнение процессов.

В операционной системе Linux функция fork() реализована через системный вызов clone(). Этот системный вызов может принимать в качестве аргументов набор флагов, определяющих, какие ресурсы должны быть общими (если вообще должны) у родительского и порожденного процессов. Далее в разделе "Реализация потоков в ядре Linux" об этих флагах рассказано более подробно. Библиотечные вызовы fork(), vfork() и __clone() вызывают системную функцию clone() с соответствующими флагами. В свою очередь системный вызов clone() вызывает функцию ядра do_fork().

Основную массу работы по разветвлению процесса выполняет функция do_fork(), которая определена в файле kernel/fork.c. Эта функция, в свою очередь, вызывает функцию copy_process() и запускает новый процесс на выполнение. Ниже описана та интересная работа, которую выполняет функция copy_process().

• Вызывается функция dup_task_struct(), которая создает стек ядра, структуры thread_info и task_struct для нового процесса, причем все значения указанных структур данных идентичны для порождающего и порожденного процессов. На этом этапе дескрипторы родительского и порожденного процессов идентичны.

• Проверяется, не произойдет ли при создании нового процесса переполнение лимита на количество процессов для данного пользователя.

• Теперь необходимо сделать порожденный процесс отличным от родительского. При этом различные поля дескриптора порожденного процесса очищаются или устанавливаются в начальные значения. Большое количество данных дескриптора процесса является совместно используемым.

• Далее состояние порожденного процесса устанавливается в значение TASK_UNINTERRUPTIBLE, чтобы гарантировать, что порожденный процесс не будет выполняться.

• Из функции copy_process() вызывается функция copy_flags(), которая обновляет значение поля flags структуры task struct. При этом сбрасывается флаг PF_SUPERPRIV, который определяет, имеет ли процесс права суперпользователя. Флаг PF_FORKNOEXEC, который указывает на то, что процесс не вызвал функцию exec(), — устанавливается.

• Вызывается функция get_pid(), которая назначает новое значение идентификатора PID для новой задачи.

• В зависимости от значений флагов, переданных в функцию clone(), осуществляется копирование или совместное использование открытых файлов, информации о файловой системе, обработчиков сигналов, адресного пространства процесса и пространства имен (namespace). Обычно эти ресурсы совместно используются потоками одного процесса. В противном случае они будут уникальными и будут копироваться на этом этапе.

• Происходит разделение оставшейся части кванта времени между родительским и порожденным процессами (это более подробно обсуждается в главе 4, "Планирование выполнения процессов").

• Наконец, происходит окончательная зачистка структур данных и возвращается указатель на новый порожденный процесс.

Далее происходит возврат в функцию do_fork(). Если возврат из функции copy_process() происходит успешно, то новый порожденный процесс возобновляет выполнение. Порожденный процесс намеренно запускается на выполнение раньше родительского[16].

В обычной ситуации, когда порожденный процесс сразу же вызывает функцию exec(), это позволяет избежать накладных расходов, связанных с тем, что если родительский процесс начинает выполняться первым, то он будет ожидать возможности записи в адресное пространство посредством механизма копирования при записи.

Системный вызов vfork() позволяет получить тот же эффект, что и системный вызов fork(), за исключением того, что записи таблиц страниц родительского процесса не копируются. Вместо этого порожденный процесс запускается как отдельный поток в адресном пространстве родительского процесса и родительский процесс блокируется до того момента, пока порожденный процесс не вызовет функцию exec() или не завершится. Порожденному процессу запрещена запись в адресное пространство. Такая оптимизация была желанной в старые времена 3BSD, когда реализация системного вызова fork() не базировалась на технике копирования страниц памяти при записи. Сегодня, при использовании техники копирования страниц памяти при записи и запуске порожденного процесса перед родительским, единственное преимущество вызова vfork() — это отсутствие копирования таблиц страниц родительского процесса. Если когда-нибудь в операционной системе Linux будет реализовано копирование полей таблиц страниц при записи[17], то вообще не останется никаких преимуществ. Поскольку семантика функции vfork() достаточно ненадежна (что, например, будет, если вызов exec() завершится неудачно?), то было бы здорово, если бы системный вызов vfork() умер медленной и мучительной смертью. Вполне можно реализовать системный вызов vfork() через обычный вызов fork(), что действительно имело место в ядрах Linux до версии 2.2.

Сейчас системный вызов vfork() реализован через специальный флаг в системном вызове clone(), как показано ниже.

• При выполнении функции copy_process() поле vfork_done структуры task_struct устанавливается в значение NULL.

• При выполнении функции do_fvork(), если соответствующий флаг установлен, поле vfork_done устанавливается в ненулевое значение (начинает указывать на определенный адрес).

• После того как порожденный процесс в первый раз запущен, родительский процесс, вместо того чтобы возвратиться из функции copy_process() к выполнению, начинает ожидать, пока порожденный процесс не подаст ему сигнал через указатель vfork_done.

• При выполнении порожденным процессом функции mm_release() (которая вызывается, когда задание заканчивает работу со своим адресным пространством), если значение поля vfork_done не равно NULL, родительский процесс получает указанный выше сигнал.

• При возврате в функцию do_fork() родительский процесс возобновляет выполнение и выходит из этой функции.

Если все прошло так, как запланировано, то теперь порожденный процесс выполняется в новом адресном пространстве, а родительский процесс — в первоначальном адресном пространстве. Накладные расходы меньше, но реализация не очень привлекательна.

Реализация потоков в ядре Linux

Многопоточность — это популярная сегодня программная абстракция. Она обеспечивает выполнение нескольких потоков в совместно используемом адресном пространстве памяти. Потоки также могут совместно использовать открытые файлы и другие ресурсы. Многопоточность используется для параллельного программирования (concurrent programming), что на многопроцессорных системах обеспечивает истинный параллелизм.