Читаем Linux API. Исчерпывающее руководство полностью

В принципе, вызов fork() можно рассматривать как создание копий родительских сегментов с текстом, данными, кучей и стеком (в некоторых ранних реализациях системы UNIX и в самом деле происходило такое дублирование: образ нового процесса создавался путем копирования памяти родителя в область подкачки, из которого получался дочерний процесс; родитель при этом сохранял свою собственную память). Однако обычное копирование страниц виртуальной памяти родителя в новый дочерний процесс было бы расточительством по целому ряду причин — например, за вызовом fork() часто следует функция exec(), которая заменяет код процесса новой программой и повторного инициализирует сегменты данных, кучи и стека. Большинство современных реализаций UNIX, в том числе и Linux, пытаются избежать такого избыточного копирования, используя две методики.

• Ядро делает текстовый сегмент каждого процесса доступным только для чтения, чтобы они не могли изменить свой собственный код. Это означает, что родитель и потомок могут иметь общий текстовый сегмент. Системный вызов fork() создает текстовый сегмент потомка путем построения записей в таблице страниц памяти для каждого отдельного процесса; каждая запись ссылается на блок страницы физической памяти, который уже используется родителем.

• Для страниц родительского процесса в сегментах с данными, кучей и стеком ядро использует методику, известную как копирование при записи (описание ее реализации ищите в книгах [Bach, 1986] и [Bovet & Cesati, 2005]). Изначально ядро подготавливает все для того, чтобы записи таблицы страниц для этих сегментов указывали на те же физические страницы, что и записи родителя, и затем делает сами страницы доступными только для чтения. После вызова fork() ядро перехватывает любые попытки родителя или потомка изменить любую из этих страниц, создавая ее копию. Эта новая страница назначается процессу, инициировавшему изменение, а соответствующая запись в таблице другого процесса корректируется должным образом. С этого момента родитель или потомок может изменять свою частную копию страницы, не влияя на страницу другого процесса. Методика копирования при записи проиллюстрирована на рис. 24.3.

Контроль изменения объема занимаемой процессом памяти

Мы можем сочетать использование вызовов fork() и wait(), чтобы контролировать изменение объема занимаемой процессом памяти. Нас интересует диапазон задействованных процессом виртуальных страниц, который изменяется в результате воздействия таких факторов, как подстройка стека при входе и выходе в функции, вызов exec() и, что особенно важно в контексте этого раздела, вызовы malloc() и free(), приводящие к изменению кучи.

Представьте, что мы поместили некую функцию func() между вызовами fork() и wait(), как это сделано в листинге 24.3. После выполнения этого кода мы знаем, что с момента вызова func() память родителя не меняется, поскольку все возможные изменения происходят в дочернем процессе. Это может пригодиться по следующим причинам.

• Если мы знаем, что функция func() приводит к утечкам памяти или чрезмерной фрагментации кучи, данный подход устранит проблему (это может быть единственно возможное решение, если у нас нет доступа к исходному коду func()).

• Допустим, у нас есть алгоритм, который выделяет память во время анализа дерева (это может быть, к примеру, игровая программа, которая рассчитывает диапазон возможных ходов и реакций на них). Мы можем написать код с применением вызова free(), чтобы освободить всю выделенную память. Однако в некоторых случаях проще будет воспользоваться описанной выше методикой; это позволит нам сделать откат к начальной точке, оставляя память вызывающего процесса (родителя) без изменений.

Рис. 24.3. Таблицы со страницами памяти до и после изменения общей страницы, копируемой при записи

В реализации, показанной в листинге 24.3, результат выполнения функции func() должен быть выражен в 8 битах, которые посредством вызова exit() передаются после завершения дочернего процесса в родительский, вызвавший wait(). При необходимости можно передать больший объем данных, наладив межпроцессное взаимодействие на основе файла, конвейера или как-то иначе.

Листинг 24.3. Вызов функции без изменения состояния памяти процесса

Из файлаprocexec/footprint.c

pid_t childPid;

int status;

childPid = fork();

if (childPid == –1)

errExit("fork");

if (childPid == 0) /* Потомок вызывает func() и использует */

exit(func(arg)); /* возвращенное значение в качестве */

/* кода завершения */

/* Родитель ждет завершения работы потомка.

Он может узнать результат выполнения

функции func(), прочитав ее 'status'. */

if (wait(&status) == –1)

errExit("wait");

Из файлаprocexec/footprint.c

24.3. Системный вызов vfork()