超越 fork() + exec()

# 超越 fork() + exec() 来源：https://lwn.net/SubscriberLink/1076018/16f01bbbb8e0d1f0/ ## \[LWN 订阅者专属内容\] > ### 欢迎访问 LWN.net 以下订阅专属内容由一位 LWN 订阅者为您提供。成千上万的订阅者依赖 LWN 获取来自 Linux 和自由软件社区的最佳新闻。如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅 LWN（https://lwn.net/subscribe/）。感谢您访问 LWN.net！ 自 Unix 诞生早期以来，两个核心的进程导向系统调用一直是 `fork()`（创建一个子进程作为父进程的副本）和 `exec()`（用新程序替换当前程序）。在 Linux 内核中，这些系统调用更常被称为 `clone()`（https://man7.org/linux/man-pages/man2/clone.2.html）和 `execve()`（https://man7.org/linux/man-pages/man2/execve.2.html），但核心功能保持不变。虽然这种进程创建模型有其优雅之处，但也存在缺陷。Li Chen 最近提出的一项在内核中添加“spawn 模板”的提案（https://lwn.net/ml/all/[email protected]），目前的形式不会被接受，但它可能指向未来一种新的进程创建原语。 `fork()` 是一个相对昂贵的系统调用；它必须为子进程复制整个进程状态（包括内存）。多年来已经进行了许多优化，但 `fork()` 本质上仍然是一项成本高昂的操作。更糟糕的是，`fork()` 调用之后通常紧跟着一个 `exec()`，而 `exec()` 会丢弃所有为子进程精心复制的内存。多年来，人们曾尝试（例如 `vfork()`（https://man7.org/linux/man-pages/man2/vfork.2.html））针对这种情况进行优化，但这种模式仍然比其应有的成本更高。 #### Spawn 模板 Chen 的补丁集采用了一种有趣的方法来优化 `fork()` 和 `exec()` 模式。它专注于那些重复启动运行同一个可执行文件的进程的应用程序；想象一下，一个程序需要反复运行 Git 来获取仓库内容的信息。在这种情况下，该程序可以建立一个模板来加速这些调用，将设置成本分摊到多次操作中。这个模板将通过 `spawn_template_create()` 系统调用创建： ``` struct spawn_template_create_args { __aligned_u64 flags; __s32 execfd; __u32 exec_flags; __aligned_u64 filename; /* 部分字段已省略 */ }; int spawn_template_create(struct spawn_template_create_args *args, size_t args_size); ``` 此调用将返回一个文件描述符，代表可执行文件的模板。该可执行文件可以指定为文件描述符（`execfd`）或绝对路径（`filename`），但不能同时指定两者。为了创建模板，内核将打开指定的文件并缓存一系列信息，使得将来能更快地运行该文件。 相关应用程序可能多次运行同一个可执行文件，但每次调用在多个方面有所不同。特定调用的详细信息必须放入该结构体的一个实例中： ``` struct spawn_template_spawn_args { __aligned_u64 flags; __aligned_u64 pidfd; __aligned_u64 argv; __aligned_u64 envp; __aligned_u64 actions; __aligned_u64 actions_len; __aligned_u64 reserved[4]; }; ``` `argv` 字段是指向传递给程序的参数列表的指针，`envp` 指向环境变量。而文件描述符和信号处理的更改则通过 `actions` 传递，`actions` 是一个指向以下结构体数组的指针： ``` struct spawn_template_action { __u32 type; __u32 flags; __s32 fd; __s32 newfd; __aligned_u64 arg; }; ``` 例如，如果应该关闭子进程中的文件描述符四，则相关的 `spawn_template_action` 结构体应将 `type` 设置为 `SPAWN_TEMPLATE_ACTION_CLOSE`，并将 `fd` 设置为四。还有其他用于复制文件描述符、打开文件、更改工作目录和更改信号处理的 action。 一旦填充好 `spawn_template_spawn_args` 结构体，就可以通过以下方式运行新进程： ``` int spawn_template_spawn(int template_fd, struct spawn_template_spawn_args *args, int args_size); ``` 在内部，该系统调用遵循接近正常的 `fork()`/`exec()` 路径。Chen 谨慎地指出，所有执行新文件时应用的常规检查仍然有效。但模板中缓存的信息使得整个过程比以前更快。快多少？在 cover letter 中提供的基准测试结果显示性能提升了约 2%，这看起来可能不多，但对于符合预期模式的应用程序来说，可能会产生显著的影响。 #### 迈向 `posix_spawn()` Mateusz Guzik 对此工作进行了最详细的审查（https://lwn.net/ml/all/vealb52tv5suireenkke4lul2l3wbnaul2rp3ea545ly5wa5ty@yk3aksvp7skt），他表示：“这个问题对我而言非常重要，我断断续续思考了很长时间。整个 fork + exec 的惯用方式很糟糕，需要被淘汰。”他指出，这个补丁集的关注点有点奇怪，因为它没有触及问题中的 `fork()` 部分。他说，大部分成本都在那里，因此优化工作应该致力于将其从场景中移除。与其复制当前进程，“创建一个全新的进程才是正确的方向”。 Christian Brauner 对该目标表示赞同（https://lwn.net/ml/all/20260528-madig-fachrichtung-fehlinformation-61117ba640da@brauner），他说：“为 exec 提供一个构建器 API 的想法并非完全疯狂。”不过，他的建议是，新的 API 应该建立在现有的 `pidfd`（https://lwn.net/Articles/794707/）抽象之上。在不深入细节的情况下，他表示正确的方法是为 `pidfd_open()`（https://man7.org/linux/man-pages/man2/pidfd_open.2.html）创建一个选项，用于创建一个空进程。然后，通过一系列对新系统调用 `pidfd_config()` 的调用，按需配置这个新进程，设置其环境、要执行的映像等等。这样，`pidfd_config()` 将类似于 `fsconfig()`（https://man7.org/linux/man-pages/man2/fsconfig.2.html）。 Brauner 表示，新接口的一个重要目标是能够在用户空间中支持 `posix_spawn()`（https://man7.org/linux/man-pages/man3/posix_spawn.3.html）的实现。`posix_spawn()` 非常适合替代 `fork()`/`exec()` 模式；开发者可能会欢迎一个本地的实现，它（与当前实现不同）不会在底层隐藏 `fork()` 和 `exec()`。Chen 同意（https://lwn.net/ml/all/[email protected]）Brauner 大致勾勒的 API 看起来更好，并表示未来的工作将朝着这个方向进行。因此，Linux 内核中不会出现 spawn 模板，但如果 Chen 的后续工作取得成功，Linux 最终可能会获得一个合适的 `posix_spawn()` 实现。 本文的索引条目 内核（https://lwn.net/Kernel/Index） 系统调用/clone()（https://lwn.net/Kernel/Index#System_calls-clone） 内核（https://lwn.net/Kernel/Index） 系统调用/execve()（https://lwn.net/Kernel/Index#System_calls-execve）