进程创建三件套：fork、exec 与写时复制

一句话定义

UNIX 用三个系统调用构成进程生命周期：fork 复制当前进程得到子进程，exec 用新程序替换进程映像，wait 让父进程回收子进程的退出状态；写时复制（COW）让 fork 的"复制"代价降到近乎为零。

为什么重要

Shell 的每一条命令、Web 服务器 prefork 模型、CI 的每次任务派生，都走这条路。fork/exec 分离的设计让"复制自己再换身程序"成为可能，也解释了大量经典 bug：缓冲区双写、僵尸堆积、fork 后死锁。COW 更是贯穿内存管理（kp-017、kp-018）与文件系统快照（kp-025）的通用思想。

前置知识

kp-005（进程与 PCB）；kp-003（系统调用机制）。

核心概念

• fork()：调用一次、返回两次——父进程中返回子进程 PID，子进程中返回 0。
• exec 族（execve 及其包装）：用磁盘上的新程序替换当前进程的代码、数据、堆栈，PID 不变。
• wait()/waitpid()：父进程阻塞收取子进程退出码，内核随后才释放子进程 PCB（消除僵尸）。
• COW（Copy-On-Write）：fork 时不拷贝物理内存页，父子共享页面并标记只读，任何一方写入时触发缺页、内核才复制那一页。

原理与机制

fork 的现代实现：复制 PCB（task_struct）与页表，把两边的页表项都标为只读并引用同一物理页；此后任一方写页触发保护性缺页，内核复制该页、改写页表、恢复执行——只有被写的页付出真实拷贝成本。exec 则完全丢弃旧映像：加载 ELF、重建地址空间、把入口设到新程序 main。

一个完整的 Shell 派生模型（C）：

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {                 /* 子进程 */
    execvp("ls", (char*[]){"ls", "-l", NULL});  /* 替换映像 */
    _exit(127);                 /* exec 失败才会走到这里 */
} else if (pid > 0) {           /* 父进程 */
    int status;
    waitpid(pid, &status, 0);   /* 回收，避免僵尸 */
} else { /* fork 失败：进程/内存上限 */ }

直观类比

fork 像复印一份完整的工作档案但只在页面上贴"写时再复印"的便签（COW）——真正动笔改哪页，才去复印哪页。exec 像在同一工位上换了个新人：工牌（PID）不变，全部工作内容替换。

实例或案例

可复现实验（Linux）：

strace -f -e trace=clone,execve,wait4 sh -c 'ls'   # 观察派生链：现代 Linux 上 fork 由 clone 实现
echo $((1)) > /dev/null; ps -ef | grep [d]efunct   # 找僵尸进程（STAT 列 Z）

一个经典 bug：fork() 前若有未 flush 的 stdio 缓冲，父子进程会各输出一遍相同内容——因为缓冲区随地址空间被"共享复制"了。修复方法是 fork 前 fflush(NULL)。

常见误区

• 认为 fork 会立即复制全部内存：现代实现靠 COW，复制成本与"实际被写的页"成正比。
• 认为 fork 后父子完全独立：文件描述符默认共享同一打开文件表项，偏移量互相影响。
• 子进程退出后不管不问：不 wait 就产生僵尸；父进程先退则子进程被 init/systemd 收养并代为 wait。

与其他知识点的关系

COW 依赖 kp-017 的分页与缺页机制；多线程程序中 fork 的安全性问题连接 kp-008；fork+exec 的开销对比 vfork/posix_spawn 涉及 kp-006。

延伸阅读

《UNIX 操作系统设计》第 7 章；《操作系统导论》进程 API 章节的 shell 案例推导。

自测题

1. fork 为什么能"调用一次返回两次"？子进程从哪里继续执行？

答：内核复制出子进程并让其从 fork 的返回点继续，父进程返回子进程 PID、子进程返回 0，因此同一段代码产生两条执行路径。

1. 写时复制如何把 fork 的开销从 O(全部内存) 降到很低？

答：只复制 PCB 与页表并共享物理页（标记只读），写入时经缺页中断按需复制，成本与实际写入量成正比。

1. 什么时候必须 wait？

答：子进程退出后，父进程需要读取退出状态时；不 wait，子进程 PCB 一直保留，形成僵尸占用进程表项。