fork (システムコール)

コンピューティング、特にUnixオペレーティング システムとその類似システムにおいて、フォークとはプロセスが自身のコピーを作成する操作です。これは、 POSIXおよびSingle UNIX 仕様標準に準拠するために必要なインターフェイスです。通常は、カーネルのフォーク、クローン、またはその他のシステム コールに対するC 標準ライブラリ ラッパーとして実装されます。フォークは、Unix 系オペレーティング システムでプロセスを作成する主な方法です。

マルチタスク オペレーティング システムでは、プロセス (実行中のプログラム) は、他のプログラムを実行するなど、新しいプロセスを作成する方法が必要です。fork とその派生は、通常、Unix 系システムでこれを行う唯一の方法です。プロセスが別のプログラムの実行を開始するには、まず fork して自身のコピーを作成します。次に、「子プロセス」と呼ばれるコピーがexecシステム コールを呼び出して、他のプログラムに自分自身をオーバーレイします。つまり、以前のプログラムの実行を中止して、他のプログラムを優先します。

fork 操作により、子プロセス用に別のアドレス空間が作成されます。子プロセスは、親プロセスのすべてのメモリ セグメントの正確なコピーを持ちます。SunOS -4.0の仮想メモリモデルに従う最近の UNIX バリアントでは、コピーオンライトセマンティクスが実装されており、物理メモリを実際にコピーする必要はありません。代わりに、両方のプロセスの仮想メモリ ページは、どちらかのプロセスがそのようなページに書き込むまで、物理メモリの同じページを参照する場合があります。その後、そのページがコピーされます。この最適化は、fork を exec と組み合わせて新しいプログラムを実行する一般的なケースで重要です。通常、子プロセスは、開始するプログラムを優先してプログラムの実行を中止する前に、わずかなアクション セットのみを実行し、親のデータ構造をほとんど必要としません (まったく必要としない場合もあります) 。

プロセスが fork を呼び出すと、そのプロセスは親プロセスとみなされ、新しく作成されたプロセスはその子プロセスとみなされます。 fork の後、両方のプロセスは同じプログラムを実行するだけでなく、両方がシステム コールを呼び出した場合と同様に実行を再開します。その後、呼び出しの戻り値を調べて、そのステータス (子または親) を決定し、それに応じて動作することができます。

フォークの概念に関する最も古い言及の 1 つは、1962 年に出版されたMelvin ConwayのA Multiprocessor System Designに登場しました。 ^[1] Conway の論文は、L. Peter DeutschによるGENIE タイムシェアリング システムでのフォークの実装のきっかけとなり、この概念はKen Thompsonによって借用され、Research Unixで最初に登場しました^{[2] [3] [4]}。フォークは後にPOSIXの標準インターフェイスになりました。^[5]

子プロセスは親のファイル記述子のコピーから開始します。^[5]プロセス間通信では、親プロセスが1つまたは複数のパイプを作成し、フォーク後にプロセスが不要なパイプの端を閉じます。^[6]

vfork は fork の変種で、同じ呼び出し規約とほぼ同じセマンティクスを持ちますが、限られた状況でのみ使用されます。これは、仮想メモリをサポートした最初の Unix である3BSDバージョンの Unixで生まれました^{[7] [8] [9]}。これは POSIX によって標準化され、vfork が fork とまったく同じ動作をすることを許可しましたが、2004 年版^{[10]で廃止とマークされ、その後の版では}posix_spawn () (通常は vfork を介して実装されます)に置き換えられました。

vfork システム コールが発行されると、子プロセスが実行を完了するか、システム コールの " exec " ファミリのいずれかによって新しい実行可能イメージに置き換えられるまで、親プロセスは一時停止されます。子は親からメモリ管理ユニット設定を借用し、メモリ ページはコピーされることなく、特にコピー オン ライトセマンティクスなしで、親プロセスと子プロセス間で共有されます。^[10]したがって、子プロセスが共有ページのいずれかに変更を加えた場合、新しいページは作成されず、変更されたページは親プロセスにも表示されます。ページのコピー (追加のメモリを消費) はまったく行われないため、この手法は、exec と共に使用された場合、フル コピー環境でのプレーン fork よりも最適化されています。POSIX では、exec ファミリの関数 (およびいくつかの他の操作) への即時呼び出しの前段階として以外の目的で vfork を使用すると、未定義の動作が発生します。^[10] vfork と同様に、子はデータ構造をコピーするのではなく借用します。 vfork は、コピーオンライトセマンティクスを使用する fork よりも高速です。

System V は、 System VR4 が導入される前は、この関数呼び出しをサポートしていませんでした^{[引用が必要]。}これは、この関数呼び出しによって発生するメモリ共有がエラーを起こしやすいためです。

vfork はページ テーブルをコピーしないため、System V のfork実装よりも高速です。ただし、子プロセスは親プロセスと同じ物理アドレス空間で実行されるため ( execまたはexitまで)、親のデータとスタックを上書きする可能性があります。プログラマがvfork を誤って使用すると危険な状況が発生する可能性があるため、 vfork を呼び出す責任はプログラマにあります。System V アプローチと BSD アプローチの違いは哲学的なものです。カーネルは実装の特異性をユーザーから隠すべきでしょうか、それとも、洗練されたユーザーが実装を利用して論理関数をより効率的に実行する機会を与えるべきでしょうか。

— モーリス・J・バッハ^[11]

同様に、Linuxのvforkのマニュアルページでもその使用を強く推奨していない: ^{[7] [検証失敗] [議論]}

Linux が過去のこの亡霊を復活させたのは、むしろ残念なことです。BSD のマニュアル ページには、「このシステム コールは、適切なシステム共有メカニズムが実装されると削除されます。その場合、vfork() は fork(2) と同義になるため、ユーザーは vfork() のメモリ共有セマンティクスに依存すべきではありません。」と記載されています。

vforkのその他の問題としては、動的リンクとの相互作用によりマルチスレッドプログラムで発生する可能性のあるデッドロックがあります。^[12] vforkインターフェイスの代替として、POSIX はfork と exec の動作を組み合わせたposix_spawn関数ファミリを導入しました。これらの関数は、Linux で行われているようにforkの観点でライブラリ ルーチンとして実装されるか、 ^[12] Solaris で行われているようにパフォーマンスを向上させるためにvforkの観点で実装されます。 ^{[12] [13]ただし、POSIX 仕様では、これらは「}カーネル操作として設計」されており、特に制約のあるハードウェアやリアルタイム システムで実行されるオペレーティング システム向けに設計されているとされています。^[14]

4.4BSD実装ではvfork実装が削除され、vforkはforkと同じ動作をするようになったが、後にパフォーマンス上の理由からNetBSDオペレーティングシステムに復活した。 ^[8]

uClinuxなどの一部の組み込みオペレーティング システムでは、メモリ管理ユニットがないためコピーオンライトを実装できないデバイス上で動作する必要があるため、fork を省略し、vfork のみを実装しています。

Unixの設計者によって作成されたPlan 9オペレーティングシステムには、forkだけでなく、親プロセスと子プロセス間のリソースのきめ細かい共有を可能にする「rfork」と呼ばれる変種も含まれています。これには、アドレス空間（各プロセスに固有のスタックセグメントを除く）、環境変数、ファイルシステムの名前空間が含まれます。 ^{[15]これにより、プロセスとプロセス内の}スレッドの両方を作成するための統一されたインターフェイスが実現します。^[16] FreeBSD ^[17]とIRIXの両方がPlan 9からrforkシステムコールを採用し、後者はそれを「sproc」に改名しました。^[18]

cloneはLinux カーネルのシステム コールで、実行コンテキストの一部を親プロセスと共有する子プロセスを作成します。FreeBSD の rfork や IRIX の sproc と同様に、Linux の clone は Plan 9 の rfork に触発されており、スレッドを実装するために使用できます (ただし、アプリケーション プログラマーは通常、clone の上に実装されたpthreadsなどの高レベル インターフェイスを使用します)。Plan 9 と IRIX の「分離スタック」機能は、( Linus Torvaldsによると) オーバーヘッドが大きすぎるため省略されました。 ^[18]

VMSオペレーティング システムの元の設計(1977) では、コピー操作の後に、フォークのように新しいプロセスの特定のアドレスの内容がいくつか変更されるのは危険であると考えられていました。^[要出典]現在のプロセス状態のエラーは、子プロセスにコピーされる可能性があります。ここでは、プロセス生成のメタファーが使用されています。新しいプロセスのメモリ レイアウトの各コンポーネントは、最初から新しく構築されます。生成のメタファーは、後に Microsoft オペレーティング システム (1993) で採用されました。

VM/CMS (OpenExtensions)の POSIX 互換コンポーネントは、非常に限定されたフォークの実装を提供します。この実装では、子プロセスの実行中は親プロセスが一時停止され、子プロセスと親プロセスは同じアドレス空間を共有します。^{[19]これは本質的には、}フォークと呼ばれるvforkです。(これは CMS ゲストオペレーティングシステムにのみ適用されます。Linux などの他の VM ゲストオペレーティングシステムは、標準的なフォーク機能を提供します。)

次の「Hello, World!」プログラムの変形は、 Cプログラミング言語のforkシステム コールの仕組みを示しています。プログラムは 2 つのプロセスに分岐し、各プロセスは fork システム コールの戻り値に基づいて実行する機能を決定します。ヘッダーのインクルードなどの定型コードは省略されています。

int main ( void ) { pid_t pid = fork ( ); 

       

    if ( pid == -1 ) { perror ( "fork に失敗しました" ); exit ( EXIT_FAILURE ); } else if ( pid == 0 ) { printf ( "子プロセスからこんにちは! \n " ); _exit ( EXIT_SUCCESS ); } else { int status ; ( void ) waitpid ( pid , & status , 0 ); } return EXIT_SUCCESS ; }    
        
        
    
         
        
        
    
     
         
          
    
     

以下はこのプログラムの分析です。

   pid_t pid =フォーク();   

mainの最初のステートメントは、forkシステム コールを呼び出して、実行を 2 つのプロセスに分割します。forkの戻り値は、プロセス識別子 (PID) の POSIX 型であるpid_t型の変数に記録されます。

    if ( pid == -1 ) { perror ( "フォークに失敗しました" ); exit ( EXIT_FAILURE ); }    
        
        
    

マイナス 1 はforkでエラーが発生したことを示します。新しいプロセスが作成されなかったため、エラー メッセージが出力されます。

forkが成功した場合、2 つのプロセスが存在し、両方ともforkが戻った時点からメイン関数を実行します。プロセスに異なるタスクを実行させるには、プログラムはforkの戻り値で分岐し、子プロセスとして実行されているか、親プロセスとして実行されているかを判断する必要があります。

   else if ( pid == 0 ) { printf ( "子プロセスからこんにちは！\n " ); _exit ( EXIT_SUCCESS ); }     
      
      
   

子プロセスでは、戻り値はゼロ (無効なプロセス識別子) として表示されます。子プロセスは、必要な挨拶メッセージを出力してから終了します。(技術的な理由により、ここでは C 標準のexit関数ではなく、 POSIX _exit関数を使用する必要があります。)

   そうでない場合{ int status ; ( void ) waitpid ( pid , & status , 0 ); } 
       
        
   

もう一方のプロセスである親は、forkから子のプロセス識別子 (常に正の数) を受け取ります。親プロセスはこの識別子をwaitpidシステム コールに渡して、子が終了するまで実行を一時停止します。子が終了すると、親は実行を再開し、 returnステートメントによって終了します。

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