外观
进程：复制执行现场，替换程序，等待资源回收
fork 复制的是什么
进程是一个受保护的执行环境：地址空间、寄存器、打开文件、当前目录、状态和身份。程序文件只是其中的输入。两个进程可以运行同一个程序，却拥有不同的变量；一个进程也可以通过 exec 换成另一个程序，保持自己的 PID。
2025 源码从 sys_fork() 进入 kernel/proc.c:kfork()。它调用 allocproc() 创建子进程，调用 uvmcopy() 建立用户内存，再复制 trapframe。子进程的 a0 被设置为 0；父进程则得到新 PID。两边都从 fork 调用之后继续，不是从 main 重新开始。
设 x=10，fork 后子进程执行 x=20，父进程仍应看到 10。基础实现通过复制物理页实现这种隔离；COW 实验先共享只读物理页，写入时再拆开。二者必须提供相同的用户语义。也就是说，物理实现可以变，接口承诺不变。
文件描述符则不是把文件内容复制一遍。p->ofile[fd] 指向 struct file；kfork() 用 filedup() 增加引用。父子继承的描述符可能指向同一个打开文件对象，因此共享它的偏移量。读入的字节属于文件，偏移属于打开文件对象，整数 fd 属于各自进程，这三个层次要分开。
exec 为什么不创建进程
shell 的常见流程是先 fork，再让子进程 exec，父进程 wait。exec 装载 ELF 段，建立新的页表与栈，把参数字符串及指针数组放进新栈，准备新的入口地址。成功后从新入口开始运行，旧用户调用栈已经消失，所以成功的 exec 不会正常返回到旧代码。失败时必须保留可运行的旧进程并返回错误。
这可以用“先准备、后提交”理解：新地址空间尚未构造完整时，不急着破坏旧地址空间；所有关键步骤完成后才替换 p->pagetable。在文件系统或数据库中也会反复遇到相同的设计原则。
flowchart TD A[shell] --> B[fork] B --> C[父进程 wait] B --> D[子进程调整文件描述符] D --> E[exec 新程序] E --> F[程序 exit] F --> G[成为 ZOMBIE] G --> H[父进程 wait 回收] H --> A
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flowchart TD A[shell] --> B[fork] B --> C[父进程 wait] B --> D[子进程调整文件描述符] D --> E[exec 新程序] E --> F[程序 exit] F --> G[成为 ZOMBIE] G --> H[父进程 wait 回收] H --> A
为什么需要 ZOMBIE
2025 的 kexit() 关闭文件、释放当前目录引用，记录退出状态，把状态改为 ZOMBIE，随后进入调度器。它不能在仍使用自己的内核栈时把一切都释放。kwait() 找到僵尸子进程，把退出状态复制给父进程，再通过 freeproc() 清理相应进程资源。
不要把 ZOMBIE 理解为“还在偷偷运行”。它保存的是让父进程获知退出结果所需的状态。没有 wait 的长期后果是进程表项积累，最终 fork 失败。父进程先退出时，孤儿会被重新交给 init，避免退出状态永远无人处理。
状态切换需同时维护锁和状态。调度器只选择 RUNNABLE 进程，将它设为 RUNNING；等待事件的进程会进入 SLEEPING；唤醒只是恢复 RUNNABLE，不等于马上占用 CPU。CPU 调度顺序不是程序可依赖的同步工具。
管道与引用计数的直观例子
管道提供一段内核缓冲区，分别由读端和写端描述符引用。read 在缓冲区空而写端仍打开时等待；所有写端都关闭且数据耗尽后才返回 EOF。如果父进程只是“不再打算写”，却忘记关闭自己持有的写端，读进程会一直等待一个永远不会来的字节。这不是调度器坏了，而是资源生命周期尚未结束。
实现 find -exec 时也要管理生命周期：子进程 exec 失败必须退出；父进程 wait；目录 fd 在递归分支结束后关闭；参数数组末尾放空指针。每个资源都问“谁创建、谁共享、谁释放”，往往比反复添加 sleep 更快定位问题。
阅读任务与自测
依次阅读 proc.h:struct proc、proc.c:allocproc/kfork/kexit/kwait、exec.c:kexec、file.c:filedup/fileclose。记录每个字段的创建点、复制点和释放点。新加 sandbox、alarm 或 VMA 字段时，也必须回到这张生命周期表检查，而不能只改正常路径。
自测：fork 后父子各执行一次 printf，为什么顺序不确定？
fork 建立两个可调度的执行流，没有承诺谁先运行。若业务要求顺序，需要 wait、管道或其他同步协议；加一段空循环只能改变概率，不能建立顺序保证。
自测：为什么 fork 后共享文件偏移不会破坏内存隔离？
文件对象是内核显式共享的资源；用户地址空间隔离是另一条接口承诺。隔离并不等于禁止共享，而是让共享通过受控的对象与规则发生。