Системный вызов fork: что делает ядро

fork: один вызов — два возврата

#include <unistd.h>

pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {
    perror("fork");           /* потомок не создан */
} else if (pid == 0) {
    printf("я потомок, мой pid=%d, родитель=%d\n", getpid(), getppid());
} else {
    printf("я родитель, создал потомка %d\n", pid);
}

fork создаёт почти точную копию вызвавшего процесса. После вызова работают два процесса, оба продолжают с инструкции после fork. Отличаются они только результатом:

Где	Результат `fork`
родитель	PID потомка (> 0)
потомок	0
ошибка	−1 в родителе, потомка нет

Порядок выполнения родителя и потомка после fork не определён — решает планировщик.

Что делает ядро при fork

Это вопрос 3(а) экзамена. Ответ стоит строить по шагам:

Вход в ядро и проверки. Системный вызов (в Linux fork → clone → kernel_clone → copy_process). Ядро проверяет лимит процессов пользователя (RLIMIT_NPROC), общее ограничение на число процессов, наличие памяти.
Новый дескриптор. Выделяется task_struct и стек ядра для потомка, в них копируется содержимое дескриптора родителя.
Идентификация. Потомку выделяется новый уникальный PID; родителем назначается вызвавший процесс, потомок добавляется в список его детей и в общий список процессов.
Сброс «личного». Обнуляются статистика использования ресурсов и времени, очищается множество ожидающих сигналов, сбрасываются таймеры; блокировки файлов не наследуются.
Копирование ресурсов: - таблица файловых дескрипторов копируется; дескрипторы указывают на те же структуры открытых файлов, их счётчики ссылок увеличиваются (поэтому позиция в файле общая); - копируются обработчики и маска сигналов, текущий и корневой каталоги, учётные данные (UID/GID), маска umask, лимиты; - копируется сеанс и группа процессов.
Память. Копируется описание адресного пространства (список областей, VMA) и таблицы страниц. Сами страницы не копируются: частные страницы, доступные для записи, у родителя и потомка помечаются «только для чтения» (copy-on-write), счётчики ссылок физических кадров увеличиваются. Страницы MAP_SHARED остаются общими и доступными для записи. Так как родительские таблицы изменились, сбрасываются соответствующие записи TLB.
Регистры потомка. Регистровый контекст — копия родительского, но в регистр результата (rax) записывается 0. Потомок «вернётся» из fork в той же точке.
Запуск. Потомок получает состояние «готов» и ставится в очередь планировщика.
Возврат. Родителю возвращается PID потомка.

до fork после fork (copy-on-write) родитель родитель потомок таблица страниц таблица страниц таблица страниц ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ стр.1 RW ├──▶ кадр 7 │ стр.1 RO ├──┐ ┌──┤ стр.1 RO │ │ стр.2 RW ├──▶ кадр 9 │ стр.2 RO ├┐ └──┼─▶ кадр 7 │ └──────────┘ └──────────┘└────┼─▶ кадр 9 │ запись в стр.1 → page fault → ядро копирует кадр 7 в новый кадр, ставит RW тому, кто писал

Как отвечать на экзамене

Назовите четыре блока: (1) новый дескриптор и PID; (2) наследование ресурсов — дескрипторы файлов со счётчиками ссылок, сигналы, каталоги; (3) память — копирование таблиц страниц и copy-on-write; (4) два возвращаемых значения и постановка в очередь. Этого достаточно для полного балла.

Copy-on-write подробнее

Без COW fork процесса с 1 ГиБ памяти копировал бы 1 ГиБ — а потом потомок часто сразу вызывает exec и выбрасывает всё. С COW:

fork копирует только таблицы страниц;
при первой записи в общую страницу возникает страничный отказ защиты;
обработчик видит, что это COW-страница: выделяет новый кадр, копирует 4 КиБ, ставит в таблице писавшего процесса новый кадр с правом записи;
если страница уже никем не разделяется (счётчик ссылок = 1), ядро просто снимает запрет записи.

Подсчёт процессов

Главное правило: после fork каждый процесс продолжает выполнение со следующей инструкции, со своей копией всех переменных (включая счётчик цикла).

Код	Новых процессов
`fork(); fork();`	3 (всего 4)
`for (i = 0; i < n; i++) fork();`	2ⁿ − 1
`for (...) { if (fork() == 0) break; }`	n (веер: все — дети исходного)
`for (...) { if (fork() > 0) exit(0); }`	n (цепочка, как в задаче 8)
`fork() && fork();`	2 (в потомке первого `fork` результат 0, `&&` не вычисляет второй)

Переключите в симуляторе режим «родитель завершается» — это структура задачи 8: каждый процесс оставляет одного потомка и выходит.

Задача 8

Корневой процесс создаёт одного потомка (назовём его C0) и ждёт его в wait(NULL). C0 в цикле создаёт C1 и завершается, C1 создаёт C2 и завершается… Всего за цикл создаётся 5 процессов C1…C5. Пишут pid/ppid в память C0…C4 (они родители в своей итерации), а counter++ выполняют C1…C5. Подробный разбор — в модуле «Подготовка к экзамену».

Итог

fork возвращает потомку 0, родителю — PID потомка, при ошибке −1.
Ядро: проверки → новый task_struct и PID → копирование дескрипторов, сигналов, каталогов → копирование таблиц страниц с COW → регистры потомка с результатом 0 → в очередь готовых.
Ожидающие сигналы, блокировки и таймеры не наследуются.
Число процессов в циклах считаем деревом: у каждого процесса своя копия переменных.