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源碼剖析Golang如何fork一個進程

 更新時間:2023年06月05日 14:40:51   作者:藍胖子的編程夢  
創(chuàng)建一個新進程分為兩個步驟,一個是fork系統(tǒng)調(diào)用,一個是execve?系統(tǒng)調(diào)用,本文將從源碼的角度帶大家剖析一下Golang是如何fork一個進程的

創(chuàng)建一個新進程分為兩個步驟,一個是fork系統(tǒng)調(diào)用,一個是execve 系統(tǒng)調(diào)用,fork調(diào)用會復用父進程的堆棧,而execve直接覆蓋當前進程的堆棧,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,我們先來看看golang fork一個子進程該如何寫。(嚴格的講是先fork再execve創(chuàng)建一個子進程)

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一個子進程,然后子進程將會調(diào)用execve系統(tǒng)調(diào)用,使用新的可執(zhí)行文件/bin/sh代替當前子進程的程序。并且當前的標準輸入輸出也傳遞給了子進程。

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

cmd.Run() 會調(diào)用到cmd.Start 方法,里面有一段邏輯和標準輸入輸出流的傳遞相關,我們來看看。

// /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)建子進程的stdin 標準輸入
	stdin, err := c.childStdin()
	if err != nil {
		return err
	}
	childFiles = append(childFiles, stdin)
	// 創(chuàng)建子進程的stdout 標準輸出
	stdout, err := c.childStdout()
	if err != nil {
		return err
	}
	childFiles = append(childFiles, stdout)
	// 創(chuàng)建子進程的stderr 標準錯誤輸出
	stderr, err := c.childStderr(stdout)
	if err != nil {
		return err
	}
	// 此時childFiles 已經(jīng)包含了上述3個標準輸入輸出流
	childFiles = append(childFiles, stderr)
	childFiles = append(childFiles, c.ExtraFiles...)

	env, err := c.environ()
	if err != nil {
		return err
	}
   // os.StartProcess 將會啟動一個子進程并從childFiles繼承父進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 會分別調(diào)用childStdin,childStdout,childStderr創(chuàng)建用于子進程的標準輸入輸出。來看看其中一個childStdin實現(xiàn)原理,其余childStdout,childStderr 實現(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) 來源于 c.Stdin  父進程會啟動一個協(xié)程復制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 實際上是創(chuàng)建了一個管道,管道有返回值 pw,pr , 由pw寫入的數(shù)據(jù)可以由pr進行讀取,w 寫入的數(shù)據(jù) 來源于 c.Stdin 父進程會啟動一個協(xié)程復制c.Stdin 到 pw ,而c.Stdin 在我們最開的演示代碼那里賦值為了標準輸入。

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 則返回由父進程通過os.StartProcess的childFiles 傳遞給了子進程,并作為子進程的標準輸入,當子進程啟動后將會從pr中獲取標準輸入終端的數(shù)據(jù)。

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

讓我們再回到創(chuàng)建進程的主流程上,剛剛僅僅是分析出了,父進程將會為子進程創(chuàng)建它自己的標準輸入輸出流,雖然是通過管道包裝的,但還沒詳細分析出os.StartProcess 方法究竟通過了哪些手段來讓父進程的文件描述符傳遞給子進程。

注意下,golang中 fork 和execve 創(chuàng)建子進程 的過程 被封裝成了一個統(tǒng)一的方法forkExec,它能夠控制子進程,只繼承特定的文件描述符,而對其他文件描述符則進行關閉。而內(nèi)核fork系統(tǒng)調(diào)用則是會對父進程的所有文件描述符進行復制,那么golang又是如何做到只繼承特定的文件描述符的呢?這個也是接下來分析的重點

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

os.StartProcess 底層會調(diào)用到 forkAndExecInChild1 方法,由于代碼比較長,我這里只列出了關鍵步驟,并對其進行了注釋。

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 會將attr.Files 里的數(shù)據(jù)復制到fd數(shù)組,我們傳遞給子進程的是childFiles,當代碼執(zhí)行到這里的時候,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)再進行復制文件描述符時,不會對子進程要用到的文件描述符進行覆蓋,會在接下來步驟1進行詳細說明
    nextfd = len(attr.Files)
	for i, ufd := range attr.Files {
		if nextfd < int(ufd) {
			nextfd = int(ufd)
		}
		fd[i] = int(ufd)
	}
	nextfd++
   .....
   // 這里便進行了fork調(diào)用創(chuàng)建新進程了,不過可以看到這里用的是clone系統(tǒng)調(diào)用,其實它和fork類似,不過區(qū)別在于clone系統(tǒng)調(diào)用可以通過flags指定新進程 對于 父進程的哪些屬性需要繼承,哪些屬性不需要繼承,比如子進程需要新的網(wǎng)絡命名空間,則需要指定flags為syscall.CLONE_NEWNS
   r1, err1 = rawVforkSyscall(SYS_CLONE, flags, 0)
   ....
   
   // 步驟1: 總之經(jīng)過上面clone系統(tǒng)調(diào)用,已經(jīng)產(chǎn)生了子進程了,下面兩個步驟都是子進程才會進行的步驟,父進程在上述clone系統(tǒng)調(diào)用后,通過判斷err1 != 0 || r1 != 0  便返回了。
  //  這里將fd[i] < i 的文件描述符 通過dup 系統(tǒng)調(diào)用復制到了一個新的文件描述符,因為后續(xù)步驟2里我們需要將復制 fd[i] 到第i個文件描述符 ,如果fd[i] < i ,那么將會導致復制的fd[i] 是子進程已經(jīng)產(chǎn)生復制行為的文件描述符,而不是父進程真正傳遞過來的文件描述符,所以要通過nextfd將這樣的文件描述符復制到fd數(shù)組外,并且設置O_CLOEXEC,這樣在后續(xù)的execve系統(tǒng)調(diào)用后,將會對它進行自動關閉。
     	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 子進程fd[i] 個文件描述符復制給第i個文件描述符 ,注意這里就沒有設置O_CLOEXEC了,因為這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dup系統(tǒng)調(diào)用達到了繼承父進程文件描述符的目的,最終達到的效果是繼承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記為了O_CLOEXEC,在SYS_EXECVE 系統(tǒng)調(diào)用時,便會關閉掉。

但是僅僅看到這里,并不能說明golang會對attr.Files外的文件描述符也進行關閉,因為fork系統(tǒng)調(diào)用時,子進程會自動繼承父進程的所有文件描述符,這些繼承的文件描述符會在execve后自動關閉嗎? 答案是默認是會的。

golang的 os.open 函數(shù)底層會調(diào)用下面的代碼對文件進行打開操作,可以看到打開時固定設置了syscall.O_CLOEXEC flag,所以,子進程進行execve時變會自動對這些文件描述符進行關閉了。

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文件也是默認開啟了syscall.SOCK_NONBLOCK參數(shù)

// 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
}

到此這篇關于源碼剖析Golang如何fork一個進程的文章就介紹到這了,更多相關Golang fork進程內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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