神奇的vfork

一段神奇的代码

在论坛里看到下面一段代码：
int createproc();
int main()
{
pid_t pid=createproc();
printf("%d\n", pid);
exit(0);
}
int createproc()
{
pid_t pid;
if(!(pid=vfork())) {
printf("child proc:%d\n", pid);
return pid;
}
else return -1;
}
输出结果：
child proc:0
0
child proc:0
Killed

      感觉非常奇怪，为什么vfork以后，父子进程都走了“子进程”的分支呢？

      什么是vfork？

      什么是vfork，网络上介绍它的文档很多，随便一搜就是一大堆。简单来说，vfork和fork完成了基本上相同的功能，把进程做了一次复制，变成两个进程。
      在shell中，执行命令时，shell程序就是通过“复制”形成了父子进程。子进程生成后，执行exec系列函数，载入新的可执行文件，开始执行。
由于复制完成后，子进程马上就要载入新的程序来运行了，在此之前从父进程那里复制来的内存空间都不需要了。所以，“复制”过程中，复制内存空间是件费力不讨好的事情。
所以，fork有了“写时复制”技术。“复制”的时候内存并没有被复制，而是共享的。直到父子进程之一去写某块内存时，它才被复制。（内核先将这些内存设为只读，当它们被写时，CPU出现访存异常。内核捕捉异常，复制空间，并改属性为可写。）

     上面说到的内存空间是实际存储用户数据的空间，利用“写时复制”避免了干前面提到的那件费力不讨好的事情。
      但是，“写时复制”其实还是有复制，进程的mm结构、页表都还是被复制了（“写时复制”也必须由这些信息来支撑。否则内核捕捉到CPU访存异常，怎么区分这是“写时复制”引起的，还是真正的越权访问呢？）。
     而vfork就把事情做绝了，所有有关于内存的东西都不复制了，父子进程的内存是完全共享的。但是这样一来又有问题了，虽然用户程序可以设计很多方法来避免父子进程间的访存冲突。但是关键的一点，父子进程共用着栈，这可不由用户程序控制的。一个进程进行了关于函数调用或返回的操作，则另一个进程的调用栈（实际上就是同一个栈）也被影响了。这样的程序没法运行下去。

     所以，vfork有个限制，子进程生成后，父进程在vfork中被内核挂起，直到子进程有了自己的内存空间（exec**）或退出(_exit)。并且，在此之前，子进程不能从调用vfork的函数中返回（同时，不能修改栈上变量、不能继续调用除_exit或exec系列之外的函数，否则父进程的数据可能被改写）。
尽管限制很多，但并不妨碍实现前面提到的关于shell程序的那个“需求”。

  问题的思考

      说到这里，可以看出文章开头的那段代码是存在问题的了。子进程不但调用了printf，还从createproc函数中返回了。
      但是，子进程的违规为什么会使父进程走上“child proc”这条路呢？父进程在子进程退出前被阻塞在vfork里面，vfork的返回值是如何变成0的呢？

     前面一直在说vfork，其实它是两个东西，库（libc）函数vfork和系统调用vfork。用户程序调用的是库函数，而库函数再去调用系统调用。用户程序中几乎所有的系统调用都是通过库函数去调用的。因为不同体系结构下（甚至相同体系结构），系统调用的指令和参数传递规则都可能不同，这些细节被库函数隐藏了。

      前面提到，父进程被挂起在vfork中，这是指的系统调用vfork。在系统调用中，进程使用的是内核栈（每个进程有着自己独有的内核栈）。此时，父进程在内核里面是安全的，随便子进程怎么违规。内核会保证系统调用vfork的完整性，系统调用的返回值也不会有问题（它是通过寄存器传回用户空间的，跟栈无关）。
     而vfork的返回值变成0的问题，则是在库函数vfork中产生的。既然子进程已经违规了，库函数没办法保证程序的正确性。而库函数vfork是否返回0也是不确定的，可能不同版本的libc、不同的程序上下文、不同的系统、等等、都会有不同的返回值（或者就直接“段错误”了）。还有可能是，父进程中库函数vfork并没有返回0，但是栈上的返回地址被改写了，从函数createproc返回，返回到printf("child proc")这句话去了。

  再深入一点

      vfork后，库函数没法保证子进程在进行函数调用或返回的操作后程序还正常，但是库函数vfork本身就是一个函数呀，从系统调用vfork返回后，库函数vfork接着又返回了。这时，程序的正确性又是如何保证的呢？

关于函数调用，一般而言：调用前－调用者将需要传递的参数放到栈上；调用时－调用者使用call指令，该指令自动将返回地址入栈；调用后，在被调用的函数中，第一件事是做调用栈的调整，如createproc函数如是做：
08048487 <createproc>:
8048487:       55                      push   %ebp
8048488:       89 e5                 mov    %esp,%ebp
804848a:       83 ec 28            sub    $0x28,%esp
......
其中ESP是当前栈的指针，而EBP是上一层调用栈的指针。调用栈调整之前，EBP保存着上上一层栈的指针，这个值不能丢，需要放在栈上，以便函数返回时恢复。

每层调用都有自己的调用栈，“深”的调用不会影响到之前的调用栈。所以，vfork后子进程调用其他函数应该是没有问题的（但是可能会改写掉属于父进程的某些数据，造成逻辑上的错误），只要它不从调用vfork的函数中返回就行了。
但是，库函数vfork本身却不是这样做的。在这个函数中没有使用栈上的内存空间，它没有去进行调用栈的切换，如：
000983f0 <__vfork>:
983f0:       59                      pop    %ecx
983f1:       65 8b 15 6c 00 00 00    mov    %gs:0x6c,%edx
983f8:       89 d0                   mov    %edx,%eax
983fa:       f7 d8                   neg    %eax
......
9840e:       cd 80                   int    $0x80
98410:       51                      push   %ecx
......

所以父进程在库函数中运行时，不用担心栈上的数据已经被子进程修改（它根本不去使用栈上的数据）。
然而call/ret指令却不得不使用栈（因为返回地址自动会被CPU放在栈上），如果子进程在vfork后调用其他函数，会使得父进程在进入库函数vfork时通过call指令在栈上留下的“返回地址”被擦掉。
事情的确是这样。于是库函数vfork为了解决这个问题，做了一些手脚，它并没有让栈上的“返回地址”一直留在栈上。注意上面的汇编代码，进入库函数vfork的第一条指令就是“pop %ecx”，把放在栈上的“返回地址”弹到了ECX中去，保存起来。然后在系统调用vfork返回后（int 0x80是用于系统调用的指令），再“push %ecx”，把“返回地址”放回去。