在分析这三个系统调用之前，先来理解一下进程的4要素:
- 执行代码
每个进程或者线程都要有自己的执行代码，不论是独立的，还是共享的一段代码。 - 私有堆栈空间
进程具有自己独立的堆栈空间，但是对于线程来说它是共享的。 - 进程控制块（task_struct）
不论是进程还是线程，都有自己的task_struct。Linux对于线程的实现采用”轻进程”。
有独立的内存空间
线程具有独立的内存空间，而线程共享内存空间。
Linux内核用于创建进程的系统调用有3个，它们的实现分别为：fork、vfork、clone。它们的作用如下表所示：
| 调用 | 描述 |
| clone | 创建轻量级进程（也就是线程），pthread库基于此实现 |
| vfork | 父子进程共享资源，子进程先于父进程执行 |
| fork | 创建父进程的完整副本 |
下面我们来看一下3个函数的区别：
1. clone()
创建轻量级进程，其拥有的参数是：
- fn
指定新进程执行的函数。当从函数返回时，子进程终止。函数返回一个退出码，表明子进程的退出状态。 - arg
指向fn()函数的参数。 - flags
一些标志位，低字节是表示当子进程终止时发送给父进程的信号，通常是SIGCHLD信号。其余的3个字节是一组标志，如下表所示：
| 名称 | 描述 |
| CLONE_VM | 共享内存描述符和所有的页表 |
| CLONE_FS | 共享文件系统 |
| CLONE_FILES | 共享打开的文件 |
| CLONE_SIGHAND | 共享信号处理函数，阻塞和挂起的信号等 |
| CLONE_PTRACE | debug用，父进程被追踪，子进程也追踪 |
| CLONE_VFORK | 父进程挂起，直到子进程释放虚拟内存资源 |
| CLONE_PARENT | 设置子进程的父进程是调用者的父进程， 也就是创建兄弟进程 |
| CLONE_THREAD | 共享线程组，设置相应的线程组数据 |
| CLONE_NEWNS | 设置自己的命令空间，也就是有独立的文件系统 |
| CLONE_SYSVSEM | 共享System V IPC可撤销信号量操作 |
| CLONE_SETTLS | 为轻量级进程创建新的TLS段 |
| CLONE_PARENT_SETTID | 写子进程PID到父进程的用户态变量中 |
| CLONE_CHILD_CLEARTID | 设置时，当子进程exit或者exec时，给父进程发送信号 |
- child_stack
指定子进程的用户态栈指针，存储在子进程的esp寄存器中。父进程总是给子进程分配一个新的栈。 - tls
指向为轻量级进程定义的TLS段数据结构的地址。只有CLONE_SETTLS标志设置了才有意义。 - ptid
指定父进程的用户态变量地址，用来保存新建轻量级进程的PID。只有CLONE_PARENT_SETTID标志设置了才有意义。 - ctid
指定新进程保存PID的用户态变量的地址。只有CLONE_CHILD_SETTID标志设置了才有意义。
clone()其实是一个C库中的封装函数，它建立新进程的栈并调用sys_clone()系统调用。sys_clone()系统调用没有参数fn和arg。事实上，clone()把fn函数的指针保存到子进程的栈中return地址处，指针arg紧随其后。当clone()函数终止时，CPU从栈上获取return地址并执行fn(arg)函数。
下面我们看一个C代码示例，看看clone()函数的使用：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <malloc.h> #include <linux/sched.h> #include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #define FIBER_STACK 8192 int a; void *stack; int do_something() { printf("This is the son, and my pid is:%d, and a = %d\n", getpid(), ++a); free(stack); exit(1); } int main() { void * stack; a = 1; /* 为子进程申请系统堆栈 */ stack = malloc(FIBER_STACK); if(!stack) { printf("The stack failed\n"); exit(0); } printf("Creating son thread!!!\n"); clone(&do_something, (char *)stack + FIBER_STACK, CLONE_VM|CLONE_VFORK, 0);//创建子线程 printf("This is the father, and my pid is: %d, and a = %d\n", getpid(), a); exit(1); }
上面的代码就相当于实现了一个vfork()，只有子进程执行完并释放虚拟内存资源后，父进程执行。执行结果是：
Creating son thread!!! This is the son, and my pid is:3733, and a = 2 This is the father, and my pid is: 3732, and a = 2
它们现在共享堆栈，所以a的值是相等的。
2. fork()
linux将fork实现为这样的clone()系统调用，其flags参数指定为SIGCHLD信号并清除所有clone标志，child_stack参数是当前父进程栈的指针。父进程和子进程暂时共享相同的用户态堆栈。然后采用 写时复制技术，不管是父进程还是子进程，在尝试修改堆栈时，立即获得刚才共享的用户态堆栈的一个副本。也就是成为了一个单独的进程。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { int count = 1; int child; child = fork(); if(child < 0){ perror("fork error : "); } else if(child == 0){ // child process printf("This is son, his count is: %d (%p). and his pid is: %d\n", ++count, &count, getpid()); } else{ // parent process printf("This is father, his count is: %d (%p), his pid is: %d\n", count, &count, getpid()); } return EXIT_SUCCESS; }
上面代码的执行结果：
This is father, his count is: 1 (0xbfdbb384), his pid is: 3994 This is son, his count is: 2 (0xbfdbb384). and his pid is: 3995
可以看出，父子进程的PID是不一样的，而且堆栈也是独立的（count计数一个是1，一个是2）。
3. vfork()
将vfork实现为这样的clone()系统调用，flags参数指定为SIGCHLD|CLONE_VM|CLONE_VFORK信号，child_stack参数等于当前父进程栈指针。
vfork其实是一种过时的应用，vfork也是创建一个子进程，但是子进程共享父进程的空间。在vfork创建子进程之后，阻塞父进程，直到子进程执行了exec()或exit()。vfork最初是因为fork没有实现COW机制，而在很多情况下fork之后会紧接着执行exec，而exec的执行相当于之前的fork复制的空间全部变成了无用功，所以设计了vfork。而现在fork使用了COW机制，唯一的代价仅仅是复制父进程页表的代价，所以vfork不应该出现在新的代码之中。
实际上，vfork创建的是一个线程，与父进程共享内存和堆栈空间：
我们看下面的示例代码：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { int count = 1; int child; printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count); if(!(child = vfork())) { printf("This is son, his pid is: %d and the count is: %d\n", getpid(), ++count); exit(1); } else { printf("This is father, pid is: %d and count is: %d\n", getpid(), count); } }
执行结果为：
Before create son, the father's count is:1 This is son, his pid is: 3564 and the count is: 2 This is father, pid is: 3563 and count is: 2
从运行结果看，vfork创建的子进程（线程）共享了父进程的count变量，所以，子进程修改count，父进程的count值也改变了。
另外由vfork创建的子进程要先于父进程执行，子进程执行时，父进程处于挂起状态，子进程执行完，唤醒父进程。除非子进程exit或者execve才会唤起父进程，看下面程序：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { int count = 1; int child; printf("Before create son, the father's count is:%d\n", count); if(!(child = vfork())) { int i; for(i = 0; i < 100; i++) { printf("Child process & i = %d\n", i); count++; if(i == 20) { printf("Child process & pid = %d;count = %d\n", getpid(), ++count); exit(1); } } } else { printf("Father process & pid = %d ;count = %d\n", getpid(), count); } }
执行结果为：
Before create son, the father's count is:1 Child process & i = 0 Child process & i = 1 Child process & i = 2 Child process & i = 3 Child process & i = 4 Child process & i = 5 Child process & i = 6 Child process & i = 7 Child process & i = 8 Child process & i = 9 Child process & i = 10 Child process & i = 11 Child process & i = 12 Child process & i = 13 Child process & i = 14 Child process & i = 15 Child process & i = 16 Child process & i = 17 Child process & i = 18 Child process & i = 19 Child process & i = 20 Child process & pid = 3755;count = 23 Father process & pid = 3754 ;count = 23
从上面的结果可以看出，父进程总是等子进程执行完毕后才开始继续执行。
总结
- clone、vfork和fork是根据不同的需求而开发的。
- clone 参数比较多，可以实现的控制就比较多，clone的设计初衷是给pthread线程库的开发提供支持的。其实用它也完全可以实现另外两种系统调用。
- vfork是一个过时的系统调用，当时是因为写时复制（COW）技术还没有。所以才设计了这个子进程先于父进程的执行的创建进程的系统调用。
- fork就是一个创建完整进程的调用。
- clone、vfork和fork在内核层都是调用的_do_fork()这个函数。
