Linux内核分析第六周学习总结：进程的描述和进程的创建

时间：2022-03-29 21:45:43

韩玉琪 + 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

一、进程的描述

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。

1. 进程控制块PCB——task_struct

  • 操作系统的三大管理功能

      - 进程管理
    
  - 内存管理
    
  - 文件系统

  • PCB task_struct中包含

      - 进程状态
    
  - 进程打开的文件
    
  - 进程优先级信息

  • struct task_struct数据结构很庞大

2. Linux进程的状态

  • 不同于操作系统（就绪、运行、阻塞）

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    图片来源：《Linux内核设计与实现》

  • 定义的进程状态

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3. 我们关心的字段

  • 查看task_struct

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  • 进程的标识pid

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  • 所有进程链表struct list_head tasks

  • 双向循环链表

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  • 继承关系

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  • CPU相关状态

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4. 分析内核处理过程

（1）do_fork

  • 调用copy_process，将当前进程复制一份出来给子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。
  • 调用wake_up_new_task，将子进程放入调度器的队列中，此时的子进程就可以被调度进程选中运行。

（2）copy_process

  • 创建进程描述符以及子进程所需要的其他所有数据结构，为子进程准备运行环境
  • 调用dup_task_struct复制一份task_struct结构体，作为子进程的进程描述符。
  • 复制所有的进程信息
  • 调用copy_thread，设置子进程的堆栈信息，为子进程分配一个pid。

（3）dup_ task_ struct

  • 先调用alloc_task_struct_node分配一个task_struct结构体。

  • 调用alloc_thread_info_node，分配了一个union。这里分配了一个thread_info结构体，还分配了一个stack数组。返回值为ti，实际上就是栈底。

  • tsk->stack = ti将栈底的地址赋给task的stack变量。

  • 最后为子进程分配了内核栈空间。

  • 执行完dup_task_struct之后，子进程和父进程的task结构体，除了stack指针之外，完全相同。

（4）copy_thread

  • 获取子进程寄存器信息的存放位置
  • 对子进程的thread.sp赋值，将来子进程运行，这就是子进程的esp寄存器的值。
  • 如果是创建内核线程，那么它的运行位置是ret_from_kernel_thread，将这段代码的地址赋给thread.ip，之后准备其他寄存器信息，退出
  • 将父进程的寄存器信息复制给子进程。
  • 将子进程的eax寄存器值设置为0，所以fork调用在子进程中的返回值为0.
  • 子进程从ret_from_fork开始执行，所以它的地址赋给thread.ip，也就是将来的eip寄存器。

（5）运行新进程

从ret_from_fork处开始执行
  • dup_task_struct中为其分配了新的堆栈
  • copy_process中调用了sched_fork，将其置为TASK_RUNNING
  • copy_thread中将父进程的寄存器上下文复制给子进程，这是非常关键的一步，这里保证了父子进程的堆栈信息是一致的。
  • 将ret_from_fork的地址设置为eip寄存器的值，这是子进程的第一条指令。

二、进程的创建

1. fork

  • fork系统调用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pid。

2. 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。
  • 创建新进程是通过复制当前进程实现的。

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。

  • 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。

3. 子进程系统调用处理过程

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈

childregs->ax = 0; //子进程的fork返回0的原因

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
  • 刚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。

三、实践：分析Linux内核创建一个新进程的过程

1. 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

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2. gdb调试fork命令

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

  • 在新窗口中启动调试：

      $ gdb
    
  $ file linux-3.18.6/vmlinux
    
  $ target remote:1234

  • 设置断点：

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      - b sys_clone
    
  - b do_fork
    
  - b dup_task_struct
    
  - b copy_process
    
  - b copy_thread
    
  - b ret_from_fork

  • 在Menu系统中输入fork指令，可以看到只输出了fork功能的描述，在断点处sys_clone处停止了。

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  • 继续调试，停在do_ fork 和copy_ process

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  • 程序停在dup_task_struct函数处

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  • 在copy_thread函数中，继续单步执行，可以看到，内核空间压栈地址被初始化了。

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  • 程序停止在了ret_ from_ fork处，当前系统执行的是汇编代码。（同时打印出进程信息）

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四、总结

Linux通过复制父进程来创建一个新进程，通过调用do_ fork来实现并为每个新创建的进程动态地分配一个task_ struct结构。

1. 新进程的开始

  • copy_thread()中：

      p->thread.ip = (unsigned long) ret _from _fork;

  • 将子进程的ip设置为ret_ form _ fork的首地址，因此子进程是从ret_ from_ fork开始执行的。

2. 执行起点与内核堆栈保证一致

  • 在设置子进程的ip之前：

      *childregs = *current_ pt_ regs();

  • 将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,*childregs的类型为pt_regs，其中存放了SAVE ALL中压入栈的参数。

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