fork()の仕組みとプロセスの識別子(PID, PGID, TGID, TID, SID)

fork()システムコールとプロセスの識別子について調べた。@詳解Linuxカーネル読書会
ソースコードのバージョンはlinuxカーネルはv4.7-rc4、glibcはb6084a958をみている。

fork()のおおまかな仕組みは、currentのtask_structを元に子プロセスのtask_structを作って、スケジューラに登録する、というものだ。

プロセスに付与されるID

IDとは言っても、だいたいpid_t(=int)をインクリメントしてるだけなので、重複する可能性が無いというわけではない。カーネル内での呼び名と、ユーザ空間での呼び名が違う場合があるので結構ややこしい。
表はカーネルから見たIDでまとめた。

ID	読み方	実装上の意味
PID	プロセスID	プロセスごとの識別子
TGID	スレッドグループID	スレッドごと、シングルスレッドの場合はPIDと同一、ユーザ空間にgetpid()で帰ってくるのはなぜかこっち。
PGID	プロセスグループID	グループリーダが持っているPGIDを継承
SID	セッションID	グループリーダが持っているSIDを継承
TID	スレッドID	gettidで取れるカーネルで管理されているもの（実はPID) or ユーザ空間で管理されているもの、ややこしい

PIDとTGIDは、ここの図がわかりやすいので、引用する。
http://stackoverflow.com/questions/9305992/linux-threads-and-process

                      USER VIEW
 <-- PID 43 --> <----------------- PID 42 ----------------->
                     +---------+
                     | process |
                    _| pid=42  |_
                  _/ | tgid=42 | \_ (new thread) _
       _ (fork) _/   +---------+                  \
      /                                        +---------+
+---------+                                    | process |
| process |                                    | pid=44  |
| pid=43  |                                    | tgid=42 |
| tgid=43 |                                    +---------+
+---------+
 <-- PID 43 --> <--------- PID 42 --------> <--- PID 44 --->
                     KERNEL VIEW

_do_fork()の実装は次のようになっている。CLONE_THREADの場合は、TGIDにコピー元のtgidをコピーし、それ以外の場合はpidと同じものがセットされる。fork()は後者である。
group_leaderもtask_structが入るだけで伝わり方はほぼ同じだ。

  /* ok, now we should be set up.. */
  p->pid = pid_nr(pid);
  if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
    p->exit_signal = -1;
    p->group_leader = current->group_leader;
    p->tgid = current->tgid;
  } else {
    if (clone_flags & CLONE_PARENT)
      p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
    else
      p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
    p->group_leader = p;
    p->tgid = p->pid;
  }

PGID,SIDはこのあたり。

  if (likely(p->pid)) {
    ptrace_init_task(p, (clone_flags & CLONE_PTRACE) || trace);

    init_task_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
    if (thread_group_leader(p)) {
      init_task_pid(p, PIDTYPE_PGID, task_pgrp(current));
      init_task_pid(p, PIDTYPE_SID, task_session(current));

ユーザ空間で決めたTIDはこのあたり。

  p->set_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_SETTID) ? child_tidptr : NULL;
  /*
   * Clear TID on mm_release()?
   */
  p->clear_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_CLEARTID) ? child_tidptr : NULL;

実はfork()システムコールそのものは使われていない

fork()はglibcでラップされていて、clone()システムコールで実装されている。

juntaki@ubuntu% cat forktest
ls; ls;
juntaki@ubuntu% strace -f bash forktest 2>&1 | grep "fork("
juntaki@ubuntu% strace -f bash forktest 2>&1 | grep "clone("
clone(child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f154401a9d0) = 26811
clone(child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f154401a9d0) = 26812

glibc実装とカーネルのfork()

glibcのx86の実装では、CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLDがclone_flagに入る。フラグの意味はman cloneにある。

#define ARCH_FORK() \
  INLINE_SYSCALL (clone, 4,                                                   \
                  CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, 0,     \
                  NULL, &THREAD_SELF->tid)

Linuxカーネルでは、フラグはSIGCHLDだけ。

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
  return _do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0);
#else
  /* can not support in nommu mode */
  return -EINVAL;
#endif
}
#endif