fork的原理

当调用 fork() 时，操作系统会执行以下主要步骤：

分配新的进程结构:
- 操作系统会为新进程分配一个新的 task_struct 结构（进程控制块，PCB），它用于存储进程的状态、内存信息、文件描述符等。
复制进程上下文:
- 进程地址空间: 操作系统会复制父进程的内存页表，从而子进程获得父进程相同的虚拟地址空间内容。现代操作系统中，通常使用写时复制（Copy-On-Write, COW）技术，避免立即复制物理内存数据，而是将父进程的内存页标记为只读，等到子进程或父进程尝试写入时，才真正复制该页数据。
- 文件描述符表: 子进程会继承父进程的文件描述符表，但文件描述符的引用计数会增加，以表示它们被多个进程共享。
- 信号处理 : 子进程继承父进程的信号处理设置（除了一些特殊情况，如 SIGCHLD 信号会被重置为默认处理方式）。
- 进程 ID: 子进程会获得一个新的进程 ID，与父进程不同，但子进程会继承父进程的进程组 ID 和会话 ID。
更新进程树关系:
- 内核会将新创建的子进程加入进程树中，成为父进程的子进程。子进程的 parent 指针指向父进程，父进程的子进程链表会新增该子进程。
返回值:
- 对于父进程，fork() 返回子进程的 PID。
- 对于子进程，fork() 返回 0。

从 Linux 内核源码角度来看，fork() 的实现实际上是通过 do_fork() 完成的，该函数负责创建子进程并复制父进程的各种信息。

具体流程如下：

调用 do_fork():
- 用户进程调用 fork() 时，会陷入内核，由内核函数 do_fork() 来处理实际的创建工作。
复制进程信息:
- do_fork() 函数会调用 copy_process() 函数，后者负责复制父进程的各种信息。包括创建一个新的 task_struct，复制父进程的内存地址空间（使用 COW），文件描述符表，信号处理表等。
设置子进程状态:
- 内核会将新创建的子进程的状态设置为就绪态，等待被调度。
返回:
- do_fork() 最后会将子进程的 PID 返回给父进程，并将 0 返回给子进程。

在内存管理中，COW 技术是 fork() 中一个关键的优化点。父子进程共享同一块物理内存，只是在内存页被写入时才进行实际的物理内存复制。这大大提高了 fork() 的效率，特别是对于不需要立即修改内存的场景，例如 fork 后立即执行 exec，加载新的程序映像。

页表复制 : fork() 时，子进程会继承父进程的页表结构，这样子进程的虚拟内存布局与父进程保持一致。
页表标记: 所有被继承的页表项会被标记为只读。当父或子进程尝试写入内存时，CPU 会触发页错误（page fault），内核在处理页错误时检测到这是 COW 的情况，就会复制该内存页，解除只读限制并重新映射。

当一个进程调用 fork() 后，子进程进入就绪队列，等待调度程序的调度。当调度程序决定切换到子进程时，子进程会从复制的父进程上下文开始执行。这意味着子进程会从 fork() 的返回点开始执行，只不过它返回的是 0。