Tại sao chúng ta cần rẽ nhánh để tạo ra các quy trình mới?

Trong Unix bất cứ khi nào chúng tôi muốn tạo một quy trình mới, chúng tôi chia rẽ quy trình hiện tại, tạo một quy trình con mới giống hệt như quy trình cha mẹ; sau đó chúng tôi thực hiện một cuộc gọi hệ thống exec để thay thế tất cả dữ liệu từ quy trình cha mẹ bằng quy trình đó cho quy trình mới.

Tại sao chúng ta tạo một bản sao của quy trình cha mẹ ngay từ đầu và không trực tiếp tạo quy trình mới?

Câu trả lời ngắn gọn là, forktrong Unix vì nó dễ phù hợp với hệ thống hiện có vào thời điểm đó và bởi vì một hệ thống tiền thân tại Berkeley đã sử dụng khái niệm dĩa.

Từ Sự phát triển của Hệ thống chia sẻ thời gian Unix (văn bản có liên quan đã được tô sáng ):

Kiểm soát quá trình ở dạng hiện đại của nó đã được thiết kế và thực hiện trong vài ngày. Thật đáng ngạc nhiên khi nó dễ dàng lắp vào hệ thống hiện có; đồng thời dễ dàng nhận thấy một số tính năng hơi khác thường của thiết kế hiện diện chính xác vì chúng thể hiện những thay đổi nhỏ, dễ mã hóa với những gì tồn tại . Một ví dụ điển hình là sự phân tách của các hàm fork và exec. Mô hình phổ biến nhất để tạo ra các quy trình mới liên quan đến việc chỉ định một chương trình cho quy trình thực hiện; trong Unix, một tiến trình rẽ nhánh tiếp tục chạy cùng một chương trình với cha mẹ của nó cho đến khi nó thực hiện một lệnh thực thi rõ ràng. Sự phân tách các chức năng chắc chắn không phải là duy nhất đối với Unix và trên thực tế, nó đã có mặt trong hệ thống chia sẻ thời gian của Berkeley, vốn nổi tiếng với Thompson. Tuy nhiên, có vẻ hợp lý khi cho rằng nó tồn tại trong Unix chủ yếu là do việc dễ dàng thực hiện fork mà không cần thay đổi nhiều thứ khác . Hệ thống đã xử lý nhiều quá trình (tức là hai); có một bảng quy trình và các quy trình được hoán đổi giữa bộ nhớ chính và đĩa. Việc thực hiện ban đầu của ngã ba chỉ yêu cầu

1) Mở rộng bảng quy trình

2) Bổ sung một cuộc gọi rẽ nhánh đã sao chép quy trình hiện tại vào khu vực trao đổi đĩa, sử dụng các nguyên hàm IO trao đổi hiện có và thực hiện một số điều chỉnh cho bảng quy trình.

Trên thực tế, cuộc gọi rẽ nhánh của PDP-7 yêu cầu chính xác 27 dòng mã lắp ráp. Tất nhiên, những thay đổi khác trong hệ điều hành và chương trình người dùng là bắt buộc, và một số trong số chúng khá thú vị và bất ngờ. Nhưng một trình điều khiển kết hợp sẽ phức tạp hơn đáng kể , nếu chỉ vì thực thi như vậy không tồn tại; chức năng của nó đã được thực hiện, sử dụng IO rõ ràng, bằng shell.

Kể từ bài báo đó, Unix đã phát triển. forktheo sau execkhông còn là cách duy nhất để chạy một chương trình.

• vfork được tạo ra để trở thành một ngã ba hiệu quả hơn cho trường hợp quy trình mới dự định thực hiện một lệnh thực thi ngay sau ngã ba. Sau khi thực hiện một vfork, các tiến trình cha và con chia sẻ cùng một không gian dữ liệu và tiến trình cha mẹ bị đình chỉ cho đến khi tiến trình con thực hiện chương trình hoặc thoát.

• posix_spawn tạo ra một quy trình mới và thực thi một tệp trong một cuộc gọi hệ thống duy nhất. Phải mất một loạt các tham số cho phép bạn chia sẻ có chọn lọc các tệp đang mở của người gọi và sao chép bố trí tín hiệu của nó và các thuộc tính khác vào quy trình mới.

[Tôi sẽ lặp lại một phần câu trả lời của tôi từ đây .]

Tại sao không chỉ có một lệnh tạo ra một quy trình mới từ đầu? Không phải là vô lý và không hiệu quả để sao chép một cái mà sẽ chỉ được thay thế ngay lập tức?

Trên thực tế, điều đó có thể sẽ không hiệu quả vì một vài lý do:

1. "Bản sao" được tạo bởi fork()một chút trừu tượng, vì kernel sử dụng hệ thống sao chép trên ghi ; tất cả những gì thực sự phải được tạo ra là một bản đồ bộ nhớ ảo. Nếu bản sao ngay lập tức gọi exec(), hầu hết dữ liệu sẽ được sao chép nếu nó bị sửa đổi bởi hoạt động của quy trình thực sự không bao giờ phải sao chép / tạo vì quy trình không làm bất cứ điều gì cần sử dụng.

2. Các khía cạnh quan trọng khác nhau của quy trình con (ví dụ, môi trường của nó) không phải được sao chép hoặc đặt riêng lẻ dựa trên phân tích phức tạp của bối cảnh, v.v. Chúng chỉ được coi là giống như quy trình gọi và đây là hệ thống khá trực quan mà chúng ta quen thuộc.

Để giải thích thêm 1 chút nữa, bộ nhớ được "sao chép" nhưng không bao giờ được truy cập sau đó không bao giờ thực sự được sao chép, ít nhất là trong hầu hết các trường hợp. Một ngoại lệ trong ngữ cảnh này có thể là nếu bạn rẽ nhánh một quy trình, sau đó có lối thoát quy trình cha mẹ trước khi đứa trẻ tự thay thế exec(). Tôi nói có thể bởi vì phần lớn cha mẹ có thể được lưu trong bộ nhớ cache nếu có đủ bộ nhớ trống và tôi không chắc mức độ này sẽ được khai thác ở mức độ nào (điều này phụ thuộc vào việc triển khai HĐH).

Tất nhiên, điều đó không có trên làm cho bề mặt sử dụng một bản sao hơn hiệu quả hơn là sử dụng một phiến đá trắng - ngoại trừ "những phiến đá trắng" không phải là nghĩa đen không có gì, và phải liên quan đến phân bổ. Hệ thống này có thể có một generic trống / mới quy trình mẫu mà nó sao chép cùng một cách, ¹ nhưng điều đó sẽ sau đó không thực sự tiết kiệm bất cứ điều gì so với ngã ba copy-on-write. Vì vậy, # 1 chỉ chứng minh rằng sử dụng quy trình trống "mới" sẽ không hiệu quả hơn.

Điểm # 2 giải thích tại sao sử dụng ngã ba có khả năng hiệu quả hơn. Môi trường của một đứa trẻ được thừa hưởng từ cha mẹ của nó, ngay cả khi đó là một thực thi hoàn toàn khác. Ví dụ: nếu tiến trình cha là shell và trình duyệt web con $HOMEvẫn giống nhau cho cả hai, nhưng vì sau đó có thể thay đổi nó, đây phải là hai bản sao riêng biệt. Một trong những đứa trẻ được sản xuất bởi bản gốc fork().

^{1. Một chiến lược có thể không có nhiều ý nghĩa theo nghĩa đen, nhưng quan điểm của tôi là việc tạo ra một quy trình liên quan đến nhiều hơn là sao chép hình ảnh của nó vào bộ nhớ từ đĩa.}

Tôi nghĩ lý do Unix chỉ có forkchức năng tạo ra các quy trình mới là kết quả của triết lý Unix

Họ xây dựng một chức năng làm một việc tốt. Nó tạo ra một quá trình con.

Những gì người ta làm với quy trình mới là tùy thuộc vào lập trình viên. Anh ta có thể sử dụng một trong các exec*chức năng và bắt đầu một chương trình khác, hoặc anh ta không thể sử dụng exec và sử dụng hai phiên bản của cùng một chương trình, điều này có thể hữu ích.

Vì vậy, bạn có được một mức độ tự do lớn hơn kể từ khi bạn có thể sử dụng

1. ngã ba mà không thực hiện *
2. ngã ba với exec * hoặc
3. chỉ cần thực hiện * mà không cần ngã ba

và ngoài ra, bạn chỉ phải ghi nhớ các cuộc gọi forkvà exec*chức năng, điều mà trong những năm 1970 bạn phải làm.

Có hai triết lý về quá trình tạo ra: ngã ba với sự kế thừa và tạo ra bằng các đối số. Unix sử dụng ngã ba, rõ ràng. (Ví dụ, OSE và VMS sử dụng phương thức tạo.) Unix có NHIỀU đặc điểm kế thừa và hơn thế nữa được thêm vào định kỳ. Thông qua thừa kế, những đặc điểm mới này có thể được thêm vào mà KHÔNG THAY ĐỔI CHƯƠNG TRÌNH HIỆN TẠI! Sử dụng mô hình tạo đối số, thêm các đặc điểm mới có nghĩa là thêm các đối số mới vào cuộc gọi tạo. Mô hình Unix đơn giản hơn.

Nó cũng liên kết mô hình fork-without-exec rất hữu ích, trong đó một quá trình có thể tự chia thành nhiều phần. Điều này rất quan trọng khi không có dạng I / O không đồng bộ và rất hữu ích khi tận dụng nhiều CPU trong một hệ thống. (Chủ đề trước.) Tôi đã làm điều này rất nhiều trong những năm qua, thậm chí gần đây. Về bản chất, nó cho phép chứa nhiều 'chương trình' trong một chương trình, do đó hoàn toàn không có chỗ cho tham nhũng hoặc phiên bản không khớp, v.v.

Mô hình fork / exec cũng cho phép một đứa trẻ cụ thể thừa hưởng một môi trường hoàn toàn kỳ lạ, được thiết lập giữa fork và exec. Những thứ như mô tả tập tin được kế thừa, đặc biệt. (Một phần mở rộng của stdio fd.) Mô hình tạo không cung cấp khả năng kế thừa bất cứ thứ gì không được hình dung bởi những người tạo ra cuộc gọi tạo.

Một số hệ thống cũng có thể hỗ trợ biên dịch động mã gốc, trong đó quá trình có hiệu lực bằng cách viết chương trình mã gốc của chính nó. Nói cách khác, nó muốn một chương trình mới mà nó đang tự viết, không cần phải trải qua chu trình mã nguồn / trình biên dịch / trình liên kết và chiếm không gian đĩa. (Tôi tin rằng có một hệ thống ngôn ngữ Verilog thực hiện việc này.) Mô hình fork hỗ trợ điều này, mô hình tạo thông thường sẽ không.

Hàm fork () không chỉ sao chép tiến trình cha, nó trả về một giá trị tham chiếu rằng tiến trình đó là quá trình cha hoặc con trai, hình ảnh dưới đây giải thích cách bạn có thể sử dụng fork () như một người cha và một Con trai:

như được hiển thị khi tiến trình là cha fork () trả về ID tiến trình con trai, PID nó sẽ trả về0

ví dụ, bạn có thể sử dụng nó nếu bạn có một quy trình (máy chủ web) nhận được các yêu cầu và trên mỗi yêu cầu, nó tạo ra một son processquy trình để xử lý yêu cầu này, ở đây người cha và các con trai của họ có các công việc khác nhau.

Vì vậy, không chạy một bản sao của một quá trình không phải là điều chính xác như fork ().

Chuyển hướng I / O được thực hiện dễ dàng nhất sau khi rẽ nhánh và trước khi thực hiện. Đứa trẻ, nhận thức được đó là đứa trẻ, có thể đóng mô tả tệp, mở cái mới, dup () hoặc dup2 () để đưa chúng vào đúng số fd, v.v., mà không ảnh hưởng đến cha mẹ. Sau khi làm điều đó, và có lẽ bất kỳ biến môi trường mong muốn nào thay đổi (cũng không ảnh hưởng đến cha mẹ), nó có thể thực thi chương trình mới trong môi trường phù hợp.

Tôi nghĩ mọi người ở đây đều biết rằng fork hoạt động như thế nào, nhưng câu hỏi đặt ra là tại sao chúng ta cần tạo chính xác bản sao của cha mẹ bằng cách sử dụng fork? Trả lời ==> Lấy ví dụ về máy chủ (không có ngã ba), trong khi máy khách-1 đang truy cập máy chủ, nếu cùng lúc đó, máy khách thứ 2 đến và muốn truy cập máy chủ nhưng máy chủ không cấp phép cho máy chủ mới đến client-2 vì máy chủ đang bận phục vụ client-1 nên client-2 phải chờ. Sau khi tất cả các dịch vụ cho client-1 kết thúc, client-2 hiện có thể truy cập vào máy chủ. Bây giờ hãy xem xét nếu cùng một lúc client-3 đến, vì vậy client-3 phải đợi cho đến khi tất cả các dịch vụ cho client-2 kết thúc. Thực hiện kịch bản mà hàng ngàn khách hàng cần truy cập vào máy chủ cùng một lúc ... sau đó tất cả các máy khách phải chờ đã (máy chủ đang bận !!).

Điều này tránh được bằng cách tạo (sử dụng ngã ba) bản sao chính xác (tức là con) của máy chủ, trong đó mỗi đứa trẻ (là bản sao chính xác của máy chủ tức là máy chủ của nó) được dành riêng cho máy khách mới đến, do đó tất cả các máy khách đều truy cập như nhau người phục vụ.