從源碼角度剖析 golang 如何fork一個(gè)進(jìn)程

創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程分為兩個(gè)步驟，一個(gè)是fork系統(tǒng)調(diào)用，一個(gè)是execve 系統(tǒng)調(diào)用，fork調(diào)用會(huì)復(fù)用父進(jìn)程的堆棧，而execve直接覆蓋當(dāng)前進(jìn)程的堆棧，并且將下一條執(zhí)行指令指向新的可執(zhí)行文件。

在分析源碼之前，我們先來(lái)看看golang fork一個(gè)子進(jìn)程該如何寫。(??嚴(yán)格的講是先f(wàn)ork再execve創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程)

cmd := exec.Command("/bin/sh")
		cmd.Env = os.Environ()
		cmd.Stdin = os.Stdin
		cmd.Stdout = os.Stdout
		cmd.Stderr = os.Stderr
		err = cmd.Run()

上述代碼將fork一個(gè)子進(jìn)程，然后子進(jìn)程將會(huì)調(diào)用execve系統(tǒng)調(diào)用，使用新的可執(zhí)行文件/bin/sh代替當(dāng)前子進(jìn)程的程序。并且當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出也傳遞給了子進(jìn)程。

我們將著重看下golang是如何創(chuàng)建和將父進(jìn)程的文件描述符傳遞給子進(jìn)程的。

cmd.Run() 會(huì)調(diào)用到cmd.Start 方法，里面有一段邏輯和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流的傳遞相關(guān)，我們來(lái)看看。

// /usr/local/go/src/os/exec/exec.go:625 
func (c *Cmd) Start() error {
......
childFiles := make([]*os.File, 0, 3+len(c.ExtraFiles))
   // 創(chuàng)建子進(jìn)程的stdin 標(biāo)準(zhǔn)輸入
	stdin, err := c.childStdin()
	if err != nil {
		return err
	}
	childFiles = append(childFiles, stdin)
	// 創(chuàng)建子進(jìn)程的stdout 標(biāo)準(zhǔn)輸出
	stdout, err := c.childStdout()
	if err != nil {
		return err
	}
	childFiles = append(childFiles, stdout)
	// 創(chuàng)建子進(jìn)程的stderr 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出
	stderr, err := c.childStderr(stdout)
	if err != nil {
		return err
	}
	// 此時(shí)childFiles 已經(jīng)包含了上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流
	childFiles = append(childFiles, stderr)
	childFiles = append(childFiles, c.ExtraFiles...)

	env, err := c.environ()
	if err != nil {
		return err
	}
   // os.StartProcess 將會(huì)啟動(dòng)一個(gè)子進(jìn)程并從childFiles繼承父進(jìn)程的放入其中的文件描述符
	c.Process, err = os.StartProcess(c.Path, c.argv(), &os.ProcAttr{
		Dir:   c.Dir,
		Files: childFiles,
		Env:   env,
		Sys:   c.SysProcAttr,
	})
	.....
}

如上所述，cmd.Start 會(huì)分別調(diào)用childStdin，childStdout,childStderr創(chuàng)建用于子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出。來(lái)看看其中一個(gè)childStdin實(shí)現(xiàn)原理，其余childStdout,childStderr 實(shí)現(xiàn)原理也是和它類似的。

// /usr/local/go/src/os/exec/exec.go:489
func (c *Cmd) childStdin() (*os.File, error) {
	
	.....
	
	pr, pw, err := os.Pipe()
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	c.childIOFiles = append(c.childIOFiles, pr)
	c.parentIOPipes = append(c.parentIOPipes, pw)
	// pw 寫入的數(shù)據(jù) 來(lái)源于 c.Stdin  父進(jìn)程會(huì)啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程復(fù)制c.Stdin 到 pw
	c.goroutine = append(c.goroutine, func() error {
		_, err := io.Copy(pw, c.Stdin)
		if skipStdinCopyError(err) {
			err = nil
		}
		if err1 := pw.Close(); err == nil {
			err = err1
		}
		return err
	})
	....
	return pr, nil
}

childStdin 實(shí)際上是創(chuàng)建了一個(gè)管道，管道有返回值 pw,pr , 由pw寫入的數(shù)據(jù)可以由pr進(jìn)行讀取，w 寫入的數(shù)據(jù) 來(lái)源于 c.Stdin 父進(jìn)程會(huì)啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程復(fù)制c.Stdin 到 pw ，而c.Stdin 在我們最開的演示代碼那里賦值為了標(biāo)準(zhǔn)輸入。

cmd := exec.Command("/bin/sh")
		cmd.Env = os.Environ()
		cmd.Stdin = os.Stdin
		cmd.Stdout = os.Stdout
		cmd.Stderr = os.Stderr
		err = cmd.Run()

而pr 則返回由父進(jìn)程通過(guò)os.StartProcess的childFiles 傳遞給了子進(jìn)程，并作為子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入，當(dāng)子進(jìn)程啟動(dòng)后將會(huì)從pr中獲取標(biāo)準(zhǔn)輸入終端的數(shù)據(jù)。

看到這里，你應(yīng)該能明白了，子進(jìn)程是如何獲取獲取父進(jìn)程的終端信息的了，通過(guò)建立了一個(gè)管道，然后將管道的一端傳遞給了子進(jìn)程便能讓父子進(jìn)程進(jìn)行通信了。

讓我們?cè)倩氐絼?chuàng)建進(jìn)程的主流程上，剛剛僅僅是分析出了，父進(jìn)程將會(huì)為子進(jìn)程創(chuàng)建它自己的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流，雖然是通過(guò)管道包裝的，但還沒(méi)詳細(xì)分析出os.StartProcess 方法究竟通過(guò)了哪些手段來(lái)讓父進(jìn)程的文件描述符傳遞給子進(jìn)程。

注意下，golang中 fork 和execve 創(chuàng)建子進(jìn)程 的過(guò)程 被封裝成了一個(gè)統(tǒng)一的方法forkExec，它能夠控制子進(jìn)程，只繼承特定的文件描述符，而對(duì)其他文件描述符則進(jìn)行關(guān)閉。而內(nèi)核fork系統(tǒng)調(diào)用則是會(huì)對(duì)父進(jìn)程的所有文件描述符進(jìn)行復(fù)制，那么golang又是如何做到只繼承特定的文件描述符的呢？這個(gè)也是接下來(lái)分析的重點(diǎn)

接下來(lái)，讓我們深入os.StartProcess 方法，看看golang是如何辦到只繼承父進(jìn)程通過(guò)childFiles傳遞過(guò)來(lái)的文件描述符進(jìn)行fork和execve調(diào)用的。

os.StartProcess 底層會(huì)調(diào)用到 forkAndExecInChild1 方法，由于代碼比較長(zhǎng)，我這里只列出了關(guān)鍵步驟，并對(duì)其進(jìn)行了注釋。

func forkAndExecInChild1(argv0 *byte, argv, envv []*byte, chroot, dir *byte, attr *ProcAttr, sys *SysProcAttr, pipe int) (r1 uintptr, err1 Errno, p [2]int, locked bool) {
    ...
    //  fork 調(diào)用前 會(huì)將attr.Files 里的數(shù)據(jù)復(fù)制到fd數(shù)組，我們傳遞給子進(jìn)程的是childFiles，當(dāng)代碼執(zhí)行到這里的時(shí)候，childFiles已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了文件描述符存到attr.Files了。nextfd是為了后續(xù)再進(jìn)行復(fù)制文件描述符時(shí)，不會(huì)對(duì)子進(jìn)程要用到的文件描述符進(jìn)行覆蓋，會(huì)在接下來(lái)步驟1進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明
    nextfd = len(attr.Files)
	for i, ufd := range attr.Files {
		if nextfd < int(ufd) {
			nextfd = int(ufd)
		}
		fd[i] = int(ufd)
	}
	nextfd++
   .....
   // 這里便進(jìn)行了fork調(diào)用創(chuàng)建新進(jìn)程了，不過(guò)可以看到這里用的是clone系統(tǒng)調(diào)用，其實(shí)它和fork類似，不過(guò)區(qū)別在于clone系統(tǒng)調(diào)用可以通過(guò)flags指定新進(jìn)程 對(duì)于 父進(jìn)程的哪些屬性需要繼承，哪些屬性不需要繼承，比如子進(jìn)程需要新的網(wǎng)絡(luò)命名空間，則需要指定flags為syscall.CLONE_NEWNS
   r1, err1 = rawVforkSyscall(SYS_CLONE, flags, 0)
   ....
   
   // 步驟1： 總之經(jīng)過(guò)上面clone系統(tǒng)調(diào)用，已經(jīng)產(chǎn)生了子進(jìn)程了，下面兩個(gè)步驟都是子進(jìn)程才會(huì)進(jìn)行的步驟，父進(jìn)程在上述clone系統(tǒng)調(diào)用后，通過(guò)判斷err1 != 0 || r1 != 0  便返回了。
  //  這里將fd[i] < i 的文件描述符 通過(guò)dup 系統(tǒng)調(diào)用復(fù)制到了一個(gè)新的文件描述符，因?yàn)楹罄m(xù)步驟2里我們需要將復(fù)制 fd[i] 到第i個(gè)文件描述符 ，如果fd[i] < i ，那么將會(huì)導(dǎo)致復(fù)制的fd[i] 是子進(jìn)程已經(jīng)產(chǎn)生復(fù)制行為的文件描述符，而不是父進(jìn)程真正傳遞過(guò)來(lái)的文件描述符，所以要通過(guò)nextfd將這樣的文件描述符復(fù)制到fd數(shù)組外，并且設(shè)置O_CLOEXEC，這樣在后續(xù)的execve系統(tǒng)調(diào)用后，將會(huì)對(duì)它進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉。
     	for i = 0; i < len(fd); i++ {
		if fd[i] >= 0 && fd[i] < i {
			....
			_, _, err1 = RawSyscall(SYS_DUP3, uintptr(fd[i]), uintptr(nextfd), O_CLOEXEC)
			if err1 != 0 {
				goto childerror
			}
			fd[i] = nextfd
			nextfd++
		}
	}
   ....
   // 步驟2 : 遍歷fd 讓 子進(jìn)程fd[i] 個(gè)文件描述符復(fù)制給第i個(gè)文件描述符 ，注意這里就沒(méi)有設(shè)置O_CLOEXEC了，因?yàn)檫@里的文件描述符我們希望execve后還存在
	for i = 0; i < len(fd); i++ {
		....
		_, _, err1 = RawSyscall(SYS_DUP3, uintptr(fd[i]), uintptr(i), 0)
		if err1 != 0 {
			goto childerror
		}
	} 
	
	....
    // 進(jìn)行execve 系統(tǒng)調(diào)用
	_, _, err1 = RawSyscall(SYS_EXECVE,
		uintptr(unsafe.Pointer(argv0)),
		uintptr(unsafe.Pointer(&argv[0])),
		uintptr(unsafe.Pointer(&envv[0])))
}

可以看出，golang在execve前， 通過(guò)dup系統(tǒng)調(diào)用達(dá)到了繼承父進(jìn)程文件描述符的目的，最終達(dá)到的效果是繼承attr.Files 參數(shù)里的文件描述符，期間由于dup的使用 產(chǎn)生的多余的文件描述符也標(biāo)記為了O_CLOEXEC，在SYS_EXECVE 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，便會(huì)關(guān)閉掉。

但是僅僅看到這里，并不能說(shuō)明golang會(huì)對(duì)attr.Files外的文件描述符也進(jìn)行關(guān)閉，因?yàn)閒ork系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，子進(jìn)程會(huì)自動(dòng)繼承父進(jìn)程的所有文件描述符，這些繼承的文件描述符會(huì)在execve后自動(dòng)關(guān)閉嗎? 答案是默認(rèn)是會(huì)的。

golang的 os.open 函數(shù)底層會(huì)調(diào)用下面的代碼對(duì)文件進(jìn)行打開操作，可以看到打開時(shí)固定設(shè)置了syscall.O_CLOEXEC flag，所以，子進(jìn)程進(jìn)行execve時(shí)變會(huì)自動(dòng)對(duì)這些文件描述符進(jìn)行關(guān)閉了。

func openFileNolog(name string, flag int, perm FileMode) (*File, error) {
	setSticky := false
	if !supportsCreateWithStickyBit && flag&O_CREATE != 0 && perm&ModeSticky != 0 {
		if _, err := Stat(name); IsNotExist(err) {
			setSticky = true
		}
	}

	var r int
	for {
		var e error
		r, e = syscall.Open(name, flag|syscall.O_CLOEXEC, syscallMode(perm))
		if e == nil {

監(jiān)聽的socket文件也是默認(rèn)開啟了syscall.SOCK_NONBLOCK參數(shù)文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-467319.html

// descriptor as nonblocking and close-on-exec.
func sysSocket(family, sotype, proto int) (int, error) {
	s, err := socketFunc(family, sotype|syscall.SOCK_NONBLOCK|syscall.SOCK_CLOEXEC, proto)
	if err != nil {
		return -1, os.NewSyscallError("socket", err)
	}
	return s, nil
}

到了這里，關(guān)于從源碼角度剖析 golang 如何fork一個(gè)進(jìn)程的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！