进程的描述和创建
谈愈敏 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
进程的描述
操作系统的三大管理功能：
- 进程管理（最重要的）
- 内存管理
- 文件系统
为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。
进程控制块PCB task_struct：
- 进程状态
- 进程打开的文件
- 进程优先级信息
task_struct总体数据结构的抽象：
tty：控制台
fs：文件系统
files：文件描述符
mm：内存管理
signal：信号描述
进程状态：不同于操作系统（就绪、运行、阻塞），如Linux中就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING
进程的标示：pid
进程描述符task_struct数据结构：
进程的创建
进程起源回顾：
道生一（start_kernel....cpu_idle）
一生二（kernel_init和kthreadd）
二生三（即前面0、1和2三个进程）
三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先）
0号进程，是代码写死的，1号进程复制0号进程PCB，再修改，再加载可执行程序。
fork创建一个子进程
fork一个子进程的代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
int pid;
/* fork another process */
pid = fork();
if (pid < 0)
{
/* error occurred */
fprintf(stderr,"Fork Failed!");
exit(-1);
}
else if (pid == 0) //子进程pid == 0时返回，子进程是在内核中返回
{
/* child process */
printf("This is Child Process!\n");
}
else //父进程可以返回
{
/* parent process */
printf("This is Parent Process!\n");
/* parent will wait for the child to complete*/
wait(NULL);
printf("Child Complete!\n");
}
}
fork在父进程和子进程各返回一次
子进程中返回的是0，父进程中返回值是子进程的id。
创建一个新进程在内核中的执行过程
fork、vfork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，而且都是通过调用do_fork来实现进程的创建；
Linux通过复制父进程来创建一个新进程：
do_fork主要是复制了父进程的task_struct，然后修改必要的信息，从而得到子进程的task_struct。
理解这一个过程的一个想象的框架：
复制一个PCB——task_struct
err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
要给新进程分配一个新的内核堆栈
ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
tsk->stack = ti;
setup_thread_stack(tsk, orig); //这里只是复制thread_info，而非复制内核堆栈
要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等都要改改吧，见copy_process内部。
新进程从哪里开始执行？
从用户态的代码看fork();函数返回了两次，即在父子进程中各返回一次：
- 父进程从系统调用中返回比较容易理解
- 子进程从系统调用中返回，那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢？
这就涉及子进程的内核堆栈数据状态和task_struct中thread记录的sp和ip的一致性问题，这是在哪里设定的？copy_thread in copy_process
*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！
p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址
fork出来的子进程是从ret_from_fork开始执行的，然后跳转到syscall_exit，从系统调用中返回。
实验：分析Linux内核创建一个新进程的过程
启动MenuOS
cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs
gdb调试fork命令
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
设置断点：
b sys_clone
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_fork
跟踪调试：
总结
首先了解了进程控制块PCB，进程描述符task_struct，先从整体抽象概念讲，然后看具体的实现代码，虽然task_struct数据结构很庞大很复杂，我们也要理解一些重点，如进程运行状态、内核堆栈，还有当前CPU相关的一些，文件系统列表，打开的文件描述符等。
关于进程的创建：0号进程，是代码写死的，1号进程复制0号进程PCB，Linux是通过复制父进程来创建一个新进程，然后修改必要的信息，从而得到子进程的task_struct。
fork创建的新的子进程是从ret_from_fork开始执行的，然后跳转到syscall_exit，从系统调用中返回。新进程如何开始执行的关键：
p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址