POSIX C 中 fork() 的轻量级替代品？

Question

在我一直在阅读的手册页中，似乎 popen、system 等倾向于调用 fork()。 反过来，fork() 复制进程的整个内存状态。 这看起来真的很重，尤其是在许多情况下，调用 fork() 的子进程几乎不使用为父进程分配的内存。

所以，我的问题是，我可以在不复制父进程的整个内存状态的情况下获得类似 fork() 的行为吗？ 还是我遗漏了什么，例如 fork() 并不像看起来那么重（例如，可能会优化调用以避免不必要的内存重复）？

Answer 1

从用户空间应用的角度来看， fork（2）和所有系统调用一样 ，是一个原始操作（但有些C库使用clone（2） ）。 它主要是从一个机器指令SYSCALL或SYSENTER切换到用户模式到内核模式，然后（最新版本）Linux内核正在进行相当重要的处理。

它实际上非常有效（例如，小于一毫秒，有时甚至不到十分之一），因为内核广泛使用惰性写时复制技术在父进程和子进程之间共享页面。 在覆盖共享页面时，实际复制将在页面错误后发生。

并且分叉具有巨大的优势，因为其他程序的启动被委托给execve（2） ：它在概念上很简单：父和子进程之间的唯一区别是fork的结果

BTW在POSIX系统上如Linux， fork（2）或合适的clone（2）等价是创建进程的唯一方法（你应该忽略一些奇怪的异常：内核正在制作一些像/sbin/init这样的进程/sbin/init etc ...），因为vfork（2）已经过时了。

Answer 2

问题是要运行标准链接可执行文件的main函数，需要调用execve ，exec替换整个过程映像，因此需要一个新的地址空间，这就是fork的用途。

您可以通过让您的calee在共享库中公开其main功能来解决这个问题（但是它不能被称为main），然后您可以使用main功能加载该函数而无需fork（假设没有符号冲突） ）。

这将是一个更有效的system替代方案（基本上是函数调用的效率）。 现在， popen涉及管道并使用管道，您需要将管道末端放在不同的可调度单元中。 使用相同地址空间的线程可以在此处用作单独进程的较轻替代方案。

Answer 3

正如你提到的fork()是一个有点疯狂的系统调用，由于历史原因，它一直存在。 有一个关于它的缺陷一个伟大的文章在这里，也是这个帖子进入一些细节问题和可能的解决办法。

尽管在 Linux 上fork()被优化为对内存使用写时复制，但它仍然不是“免费”的，因为：

1. 它仍然需要做一些与内存相关的管理（新页表等）
2. 如果您正在使用 RAII（例如在 C++ 或 Rust 中），那么所有复制的对象都将被清理两次。 这甚至可能导致逻辑错误（例如，删除临时文件两次）。
3. 这可能是因为父进程将继续运行，可能修改其大量的内存，然后它会被复制。

替代方案似乎是：

• vfork()
• clone()
• posix_spawn()

vfork()是为执行fork()然后execve()来运行程序的常见用例而创建的。 execve()用一个新的集合替换当前进程的所有内存，所以如果你要删除它，复制父进程的内存是没有意义的。

所以vfork()不会那样做。 相反，它在与父进程相同的内存空间中运行并暂停它，直到它到达execve() 。 vfork()的 Linux 手册页说，除了vfork()然后execve()做任何事情都是未定义的行为。

posix_spawn()基本上是围绕vfork()和execve()一个很好的包装器。

clone()类似于fork()但允许您准确指定复制的内容（文件描述符、内存等）。 它有很多选项，包括一个（ CLONE_VM ），它允许子进程在与父进程相同的地址空间中运行，这非常疯狂！ 我想这是创建新进程的最轻量级的方法，因为它根本不涉及任何内存复制！

但实际上我认为在大多数情况下你应该：

• 使用线程，或
• 使用posix_spawn() 。

（注意，我现在只是在研究这个；我不是专家，所以我可能弄错了一些东西。）