用GDB跟踪fork创建父进程和子进程

第一章环境

Ubuntu 14.10

Linux Kernel 3.18.6

第二章调试fork

这里当我在用老师的视频上的断点时，我发现卡住了。这是我才发现我从系统一开始便设置了断点，这样更有趣了。

我发现我彻底卡在了内核初试化阶段。经过了30分钟才结束内核的启动。

断点如下

sys_clone

do_fork

dup_task_struct

copy_process

copy_thread

ret_from_fork

alloc_thread_info_node

用GDB跟踪fork创建父进程和子进程

第三章分析

第一次是开始进行do_fork，在do_fork里，对一些情况进行判断。如果没有什么危险的情况，则开始进入copy_process。

copy_process函数在进程创建的do_fork函数中调用，主要完成进程数据结构，各种资源的初始化。初始化方式可以重新分配，也可以共享父进程资源，主要根据传入CLONE参数来确定。

参考资料：http://blog.csdn.net/bullbat/article/details/7088484

然而在调试的时候，我发现有两次copy_process，第一次显示copy_process是在breakpoint 4，第二次在breakpoint 3。

dup_task_struct：

调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈，它的定义在kernel/fork.c文件中。该函数调用copy_process()函数。然后让进程开始运行。从函数的名字dup就可知，此时，子进程和父进程的描述符是完全相同的。

参考资料：http://www.cnblogs.com/hanyan225/archive/2011/07/09/2101962.html

copy_thread：

*childregs = *current_pt_regs();
	childregs->ax = 0;
	if (sp)
		childregs->sp = sp;

	p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
	task_user_gs(p) = get_user_gs(current_pt_regs());

	p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
	tsk = current;

这段代码类似于在第二周的迷你内核myKernel中的进程调度方法。那个是复制了三次自身，从而创建了四个进程，然后互相循环运行。只不过，那个mykernel出现的进程都是平等的，没有父子关系。而由fork()产生的则有父子关系。这里是关键代码，指明了父进程是如何启动子进程的。

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,	unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
	struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
	struct task_struct *tsk;
	int err;

	p->thread.sp = (unsigned long) childregs;
	p->thread.sp0 = (unsigned long) (childregs+1);
	memset(p->thread.ptrace_bps, 0, sizeof(p->thread.ptrace_bps));

	if (unlikely(p->flags & PF_KTHREAD)) {
		/* kernel thread */
		memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
		p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_kernel_thread;
		task_user_gs(p) = __KERNEL_STACK_CANARY;
		childregs->ds = __USER_DS;
		childregs->es = __USER_DS;
		childregs->fs = __KERNEL_PERCPU;
		childregs->bx = sp;	/* function */
		childregs->bp = arg;
		childregs->orig_ax = -1;
		childregs->cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
		childregs->flags = X86_EFLAGS_IF | X86_EFLAGS_FIXED;
		p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
		return 0;
	}
	*childregs = *current_pt_regs();
	childregs->ax = 0;
	if (sp)
		childregs->sp = sp;

	p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
	task_user_gs(p) = get_user_gs(current_pt_regs());

	p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
	tsk = current;
	err = -ENOMEM;

	if (unlikely(test_tsk_thread_flag(tsk, TIF_IO_BITMAP))) {
		p->thread.io_bitmap_ptr = kmemdup(tsk->thread.io_bitmap_ptr,
						IO_BITMAP_BYTES, GFP_KERNEL);
		if (!p->thread.io_bitmap_ptr) {
			p->thread.io_bitmap_max = 0;
			return -ENOMEM;
		}
		set_tsk_thread_flag(p, TIF_IO_BITMAP);
	}

	err = 0;

	/*
	 * Set a new TLS for the child thread?
	 */
	if (clone_flags & CLONE_SETTLS)
		err = do_set_thread_area(p, -1,
			(struct user_desc __user *)childregs->si, 0);

	if (err && p->thread.io_bitmap_ptr) {
		kfree(p->thread.io_bitmap_ptr);
		p->thread.io_bitmap_max = 0;
	}
	return err;
}

这个函数就是复制父进程堆栈的内容到子进程的堆栈中去，并且设置一下子进程的task_struct内容，我们重点的也就是子进程系统堆栈的分析部分。特别是这句代码

((struct pt_regs *) (THREAD_SIZE + (unsigned long) p)) - 1;

P是新建的进程的task_struct结构，他是在新分配的二个页面(THREAD_SIZE)的最低下，而pt_regs是系统的保存系统调用时或者中断时寄存器的数据结构，如果P+THREAD_SIZE就代表子进程的堆栈的最顶端也就是ESP，如果转换成pt_regs结构再减去1，这里的计算结果实在是太模糊，，如果按照pt_regs结构减掉1的话就是分配了一个pt_regs，那也就是说《Linux内核情景分析》书中302页的图。这个图的理解是从系统空间堆栈中减掉一个pt_regs结构，实际上变相分配堆栈给pt_regs了。

参考资料：http://blog.chinaunix.net/uid-7960587-id-2035513.html

ret_from_fork：

对于fork来说，父子进程共享同一段代码空间，所以给人的感觉好像是有两次返回，其实对于调用fork的父进程来说，如果fork出来的子进程没有得到调度，那么父进程从fork系统调用返回，同时分析sys_fork知道，fork返回的是子进程的id。再看fork出来的子进程，由 copy_process函数可以看出，子进程的返回地址为ret_from_fork（和父进程在同一个代码点上返回），返回值直接置为0。所以当子进程得到调度的时候，也从fork返回，返回值为0。

关键注意两点：1.fork返回后，父进程或子进程的执行位置。（首先会将当前进程eax的值做为返回值）2.两次返回的pid存放的位置。（eax中）

参考资料：http://blog.csdn.net/guichen83/article/details/4160697

然后便是无法追踪的内核部分。具体见第五份作业。

第四章总结

具体流程如下：

用GDB跟踪fork创建父进程和子进程

就像myKernel中的进程调度那样，通过复制父进程的相关资源和进程信息来创建子进程。然后pid设置成0来区分父子进程。说来也巧，我的系统调用便是用了fork这个例子。当时我就很疑惑，看上去这个程序运行了两遍，正巧这次的课程解答了我的疑问。最后我想说的是：fork遇上了printf函数后便会有很奇特的现象。而具体内容就看我看到的两道面试题目。

第五章拓展：两道关于fork的面试题目（推荐第二道）

http://www.oschina.net/question/195301_62902

http://blog.chinaunix.net/uid-26495963-id-3150121.html

附录

卢晅 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

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