fork 和 exec 有什么区别？写时复制 COW 是怎么工作的？

知识点详解：从创建子进程，到让子进程运行新程序

fork 返回两次，分支应该由返回值决定

假设一个服务需要启动外部工具。调用 fork 后，父进程继续管理任务，子进程准备运行工具。

这两个进程各自从 fork 返回位置继续执行。父进程拿到子 PID，子进程拿到零；如果创建失败，父进程得到错误。不能把 fork 理解成“把子进程函数传给内核，它就只运行那个函数”。

子进程拥有自己的地址空间视图。普通私有变量的修改，不会自动更新父进程的同一个变量。需要通信时，应采用管道、共享内存等明确机制。

COW 延迟的是物理复制，不是取消逻辑隔离

fork 时，父子可以暂时映射相同物理页面，相关私有可写映射受写时复制保护。

当其中一方写入，内核需要让该进程获得可修改的私有内容，通常会复制相应页面。另一方仍保持原来的数据视图。

所以，“父子共享物理页面”和“父子普通变量相互独立”可以同时成立。COW 的单位也不是某个高级语言变量，而是内存页面等底层映射粒度。

这能解释为什么 fork 初期内存增加相对有限，随后大量改写页面，实际占用才逐步增加。具体行为见 fork 手册。

图：A、B 表示物理页及其映射，不是说进程的虚拟地址随着复制改变了。

exec 成功后，旧程序去哪里了？

exec 会用新程序替换当前进程的代码、数据和运行映像。它不是在旧程序里临时调用一下新程序，然后再返回。

PID 等部分进程身份保持，但并非所有属性都原样保留。文件描述符通常继续存在，除非设置 close-on-exec；信号处理、映射等有相应重置规则，见 execve 手册。

因此，启动外部程序前要决定它应该继承哪些输入输出和文件句柄。忘记关闭不需要的管道端，可能导致另一端一直等不到 EOF。

多线程服务，为什么尤其要谨慎？

fork 后，子进程只保留调用 fork 的那个线程，但内存中可能仍有其他线程留下的锁状态。某把锁如果原来由已消失线程持有，子进程再尝试获取就可能卡住。

因此，在多线程进程的子分支中，到 exec 之前应遵守相应的异步信号安全限制，不随意调用复杂库、日志或分配逻辑。

高级语言中，通常优先使用明确管理创建过程的子进程 API。Python 的 subprocess 和 Node 的子进程 API 各有实现与平台差异，不能用名字相近证明它们都直接执行同一套 fork 路径。本题不提供误导性的对照代码。

图：地址空间独立，内核资源可能共享。

面试官继续追问

exec 失败以后怎么办？

子进程仍在旧程序中，应记录必要错误并正确退出，不能意外继续父进程的业务路径。父进程还要领取退出状态。

fork 后共享文件描述符，文件偏移也独立吗？

对应描述符可能引用同一个打开文件描述，文件偏移等状态可能共享。独立地址空间不代表所有内核资源都独立。

COW 能保证 fork 毫无成本吗？

不能。进程和页表管理等仍有成本，后续写页面也会产生复制开销。大进程和频繁写入需要实际评估。

面试速记卡

• fork：新增进程，父子按返回值分支。
• COW：逻辑隔离，相关物理页面延迟到写时复制。
• exec：替换当前程序映像，成功不返回旧程序。
• 资源：明确文件描述符继承与关闭。
• 多线程：子分支谨慎处理旧锁状态，尽快进入新程序。