trace 30個基本Linux系統呼叫第十二日：clone

2017 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 12

自我挑戰組

跨界的追尋：trace 30個基本Linux系統呼叫系列第 12 篇

2017鐵人賽

高魁良

2016-12-12 22:58:53

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前情提要

前幾日介紹了與程序創建相關的fork、控制相關的wait、資訊取得/設定相關的xetxid系列呼叫等等，程序管理功能已經接近尾聲。然而，Linux核心之中的struct task_struct其實是對程序與執行緒一體適用的，我們目前為止則還沒看到執行緒部份的面向。本日的主題就是要介紹clone，這個Linux核心實作的萬用介面，如今扮演的角色不僅僅是創建傳統的程序和輕量的執行緒，還有現在各大廠商都紛紛引用的容器技術。

範例

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <pthread.h>
  3 #include <sys/resource.h>
  4 #include <sys/wait.h>
  5 #define _GNU_SOURCE       
  6 #include <sys/syscall.h>
  7 #include <unistd.h>
  8          
  9 void *thread_fn(void* arg){
 10         int tid = syscall(SYS_gettid);                                                                                                   
 11         printf("I am the thread %d in child %d\n", tid, getpid());
 12         return NULL;
 13 }        
 14          
 15 int main(){
 16          
 17         pthread_t pt;
 18         pid_t pid;
 19         int wstatus;
 20          
 21         if( (pid = fork()) != 0 ) {
 22                 waitpid(pid, &wstatus, 0);
 23         } else {
 24                 printf("I am the child %d\n", getpid());
 25                 pthread_create(&pt, NULL, &thread_fn, NULL);
 26                 pthread_join(pt, NULL);
 27         }
 28          
 29 }

這個範例程式先使用fork API呼叫（這將會轉化成clone，我們在fork一文曾經展示過），然後在子程序中引用pthread API創建執行緒，並在其中呼叫一個gettid系統呼叫。使用strace觀察，可以發現：

[noner@heros 12-clone]$ strace -f ./a.out 
execve("./a.out", ["./a.out"], [/* 41 vars */]) = 0
...
clone(child_stack=NULL, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f0f004ed9d0) = 9495
...
strace: Process 9495 attached
[pid  9494] wait4(9495,  <unfinished ...>
...
[pid  9495] clone(strace: Process 9496 attached
child_stack=0x7f0effd44ff0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f0effd459d0, tls=0x7f0effd45700, child_tidptr=0x7f0effd459d0) = 9496
...

執行起來則有這樣的輸出：

[noner@heros 12-clone]$ ./a.out 
I am the child 9732
I am the thread 9733 in child 9732

`clone`

與其他文章的系統呼叫不盡相同的是，clone是Linux獨有的，並且glibc的wrapper和系統呼叫的介面不同。所以這次我們不從參考手冊理解這個call，而是直接進入核心的原始碼，但是一開始就遇到了瓶頸：（在kernel/fork.c中）

1866 #ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
1867 #ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
1868 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
1869                  int __user *, parent_tidptr,
1870                  unsigned long, tls,
1871                  int __user *, child_tidptr)
1872 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
1873 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
1874                  int __user *, parent_tidptr,
1875                  int __user *, child_tidptr,
1876                  unsigned long, tls)
1877 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
1878 SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
1879                 int, stack_size,
1880                 int __user *, parent_tidptr,
1881                 int __user *, child_tidptr,
1882                 unsigned long, tls)
1883 #else            
1884 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
1885                  int __user *, parent_tidptr,
1886                  int __user *, child_tidptr,                                                                                          
1887                  unsigned long, tls)
1888 #endif           
1889 {                
1890         return _do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr, tls);
1891 }                
1892 #endif

到底是哪個介面呢？有三種向後相容的模式，還有最後一個else。究竟是何者？運用筆者許久沒有提到的動態追蹤，將中斷設在sys_clone的系統呼叫函數，再將前一節的範例帶入執行，立刻可以看到是最後一個，也就是非那些向後相容的版本。實際上如何，還是要看各位讀者作實驗的平台而定，筆者得到這個結果，只是說明筆者並未啟用任何CONFIG_CLONE_BACKWARDS*的選項。

總之，接下來就將傳入參數帶入_do_fork，相關的內容與第七日的fork比較得：

1846 #ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
1847 SYSCALL_DEFINE0(fork)                                                                                                                   
1848 {              
1849 #ifdef CONFIG_MMU
1850         return _do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0);
1851 #else          
1852         /* can not support in nommu mode */
1853         return -EINVAL;
1854 #endif         
1855 }              
1856 #endif

由此我們可得知

純粹的fork呼叫（我們在fork的範例程式使用）會轉化為最陽春的_do_fork，僅有地一個的flags參數傳入SIGCHLD。
API的fork呼叫，根據上面的strace訊息得到clone的會是child_stack=NULL, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f0f004ed9d0
API的pthread_create呼叫，會得到child_stack=0x7f0effd44ff0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f0effd459d0, tls=0x7f0effd45700, child_tidptr=0x7f0effd459d0)

其中可見，thread的創建情況會傳入給予child使用的stack空間，而fork程序則不需要；CLONE_THREAD的突特性也宣告了為了執行緒而非程序產生新的工作，儘管他們在核心的角度看起來是很相像的。由於_do_fork的閱讀大多與fork重疊，而這些旗標的符號又可以在clone(2)手冊中找到定義，因此這個部份就先略過。