张文俊 + 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
1、进程的描述
进程控制块PCB——task_struct
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（即task_struct）提供了内核所需了解的进程信息。
struct task_struct数据结构很庞大
Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING
进程的标示pid
所有进程链表struct list_head tasks;
程序创建的进程具有父子关系，在编程时往往需要引用这样的父子关系。进程描述符中有几个域用来表示这样的关系
Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程的内核堆栈
进程处于内核态时使用，不同于用户态堆栈，即PCB中指定了内核栈
内核控制路径所用的堆栈很少，因此对栈和Thread_info来说，8KB足够了
struct thread_struct thread;//CPU-specific state of this task
父子进程关系管理：
这是CPU状态，在进程上下文切换的过程中，起到关键作用：
2、进程的创建
进程的创建概览和fork一个进程的用户态代码
以fork一个子进程的代码为例：
- #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)
- {
- /* child process */
- printf("This is Child Process!\n");
- }
- else
- {
- /* parent process */
- printf("This is Parent Process!\n");
- /* parent will wait for the child to complete*/
- wait(NULL);
- printf("Child Complete!\n");
- }
- }
可用fork系统调用在父进程和子进程各返回一次。在fork之后，这段代码实际上就变成了两个进程。
理解进程创建过程复杂代码的方法
系统调用回顾：
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，那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架：
-
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。
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
浏览进程创建过程相关的关键代码
以上为复制数据结构部分代码，dup_task_struct。这段代码相对简单，就是将src其中内容赋值给dst。
以上为alloc调用，它功能就是生成了两个页面。
重点还是看copy_thread的功能，pt_regs获取了pid指向的堆栈内信息，比如栈底等内容。
这是父进程对已有堆栈数据的copy，拷贝内核堆栈数据和指定新进程的第一条指令地址。
因为子进程的返回值为0，所以copy时还需要修改一下内核栈内压入的。
子进程是从哪里开始执行的？
子进程是从这个位置开始执行的，就是fork返回值被得到的时候。
对pt_regs内容进行查看，可以看到其中包含int指令和SAVE_ALL压到内核栈的内容。只复制了i32的相关内容。
从entry_32中，可以找到ret_from_fork的函数代码部分。
会跳到syscall_exit部分继续执行。正常返回到用户态。
使用gdb跟踪创建新进程的过程
如果用实验楼环境，首先需要rm menu -rf 删除原先menu 然后clone一份新的。
然后进入menu后，mv test_fork.c test.c，把test.c覆盖掉。
然后make rootfs，编译出来。
可以发现fork被进入到menu里。
然后使用gdb调试，使用-s -S。
然后设置断点：b sys_clone 和 b do_fork 和 b dup_task_struct 和 b copy_process 和 b copy_thread 和 b ret_from_fork
然后进行n单步调试。
可以看到子进程执行的起点。
3、总结
linux 系统创建进程都是用 fork() 系统调用创建子进程。
由 fork() 系统调用创建的新进程被称为子进程。
该函数被调用一次，但返回两次。
如果 fork(）进程调用成功，两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程号。