本节主要研究进程（线程）创建的过程，下文将不区分进程和线程；
基本知识
在linux系统中，第一个进程是系统固有的，是由内核的设计者安排好的；一个新的进程一定要由一个已存在的进程复制出来，而不是创造出来的,其实linux系统并不提供直接创建进程的方法；创建了子进程以后，父进程可以继续走自己的路，与子进程分道扬镳，但是如果子进程先行exit()，那么将要向父进程发一个信号；父进程也可以选择睡眠，等子进程exit()以后再去世，然后父进程再继续执行，可使用wait3()某个特定的子进程，wait4()所有子进程；第三，自己exit()（是每一个可执行程序映像所必有的，因此在子进程中执行完后，不会返回）；linux将进程的创建与目标程序的执行分成两步；
（1）从一个已存在的父进程像细胞分裂一样地复制出一个子进程；实际复制出来的子进程有自己的task_struct和系统空间堆栈，但是与父进程共享其他资源；例如，要是父进程打开了5个文件，那么子进程也打开了这5个文件，而且这些文件的读写位置处于相同的位置；fork(）是全部复制，父进程的所有资源全部通过数据结构复制给子进程，但进程号不一样；clone()则带有参数的选择性的复制，可复制出一个线程，其他资源通过指针与父亲来共享；vfork(）是除了task_struct和系统空间堆栈外的资源通过指针全部复制，因此复制出来的是个线程，效率很高；
（2）目标程序的执行，创建一个进程是为有不同的目标程序要让新的程序去执行，但复制完以后，子进程就要与父进程分道扬镳了，用execve()执行以文件形式存在的可执行程序映像；
在（1）中，复制时只复制进程基本资源，如task_struct，系统空间堆栈，页面表等，不包括父进程的代码和全局变量，这些通过只读方式的共享，在需要写的时候，通过copy_on_write()为所涉及的页面建立一个新的副本；
fork，vfork，clone
（1）clone()主要是用来创建一个线程，包括用户线程和内核线程；创建用户线程时，可以给定子线程用户空间堆栈位置，它也可以用来创建进程，有选择性的复制父进程的资源；fork()则是全面的复制；vfork()是为了提高创建时的效率，减少系统开销；
（2）Linux内核中确实有一个创建内核线程的函数，kernel_thread()，供内核线程调用，它是对clone()的包装，并不执行execve()，而是执行内核中某一个函数，会返回因此要执行一个exit()系统调用；
（3）fork，vfork，clone这三个系统调用都调用do_fork()，只不过调用的参数不一样，下面主要来讲解do_fork()；
int sys_fork(struct pt_regs *regs)
{
//clone_flags中的SIGCHLD
return do_fork(SIGCHLD, regs->sp, regs, 0, NULL, NULL);
}
int sys_vfork(struct pt_regs *regs){ //共享CLONE_VFORK和VM return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, regs->sp, regs, 0, NULL, NULL);}
//clone负责建立起轻量级进程（可以与其他进程共享地址空间，或打开文件等），newsp是指用户堆栈指针，parent_tid表示父进程的//的用户变量地址，child_tid表示新的轻量级进程的用户变量地址：longsys_clone(unsigned long clone_flags, unsigned long newsp, void __user *parent_tid, void __user *child_tid, struct pt_regs *regs){ if (!newsp) newsp = regs->sp; //有新的用户栈地址 //其中clone_flags一般有参数SIGCHLD，占用一个字节，剩余的3个字节可制定，如共享内存描述符，页表，文件目录，信号处理标，跟踪等 return do_fork(clone_flags, newsp, regs, 0, parent_tid, child_tid);}
说明几点
（1）newsp为子进程新的栈，该栈可能在另一个地址空间；
/*
* Create a kernel thread
*/
int kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
struct pt_regs regs;
memset(®s, 0, sizeof(regs));
regs.si = (unsigned long) fn;
regs.di = (unsigned long) arg;
#ifdef CONFIG_X86_32
regs.ds = __USER_DS;
regs.es = __USER_DS;
regs.fs = __KERNEL_PERCPU;:
regs.gs = __KERNEL_STACK_CANARY;
#else
regs.ss = __KERNEL_DS;
#endif
regs.orig_ax = -1;
regs.ip = (unsigned long) kernel_thread_helper;
regs.cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
regs.flags = X86_EFLAGS_IF | 0x2;
/* Ok, create the new process.. */
//其中CLONE_VM避免调用进程的页表，内核线程是不用访问用户态的地址空间；不会被跟踪的
return do_fork(flags | CLONE_VM | CLONE_UNTRACED, 0, ®s, 0, NULL, NULL);
}
/*说明几点
* Ok, this is the main fork-routine.
*
* It copies the process, and if successful kick-starts
* it and waits for it to finish using the VM if required.
*/
//sys_clone
//regs是指通用寄存器指针，它是一个轻量级进程在用户态切换到内核态，保存到内核堆栈中
long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start, //用户状态下栈的起始地址
struct pt_regs *regs, //指向寄存器集合的指针
unsigned long stack_size, //用户状态下，栈的大小
int __user *parent_tidptr, //指向用户空间中地址的两个指针
int __user *child_tidptr)
{
struct task_struct *p;
int trace = 0;
long nr;
/*
* Do some preliminary argument and permissions checking before we
* actually start allocating stuff
*/
if (clone_flags & CLONE_NEWUSER) { //创建新的用户
if (clone_flags & CLONE_THREAD) //但是没有创建新的线程
return -EINVAL;
/* hopefully this check will go away when userns support is
* complete
*/
if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) || !capable(CAP_SETUID) ||
!capable(CAP_SETGID))
return -EPERM;
}
/*
* When called from kernel_thread, don't do user tracing stuff.
*/
if (likely(user_mode(regs)))
trace = tracehook_prepare_clone(clone_flags);
//执行生成新进程的实际工作
p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
/*
* Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
* might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
*/
if (!IS_ERR(p)) {
struct completion vfork;
trace_sched_process_fork(current, p);
nr = task_pid_vnr(p); //获得当前的局部nr
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
put_user(nr, parent_tidptr); //将nr复制到对应的用户空间指向的地址
if (clone_flags & CLONE_VFORK) { //如果是执行vfork这个函数，父进程会睡眠下去
p->vfork_done = &vfork;
init_completion(&vfork); //睡眠，此时父进程等子进程
}
//schedule_tail
audit_finish_fork(p);
tracehook_report_clone(regs, clone_flags, nr, p);
/*
* We set PF_STARTING at creation in case tracing wants to
* use this to distinguish a fully live task from one that
* hasn't gotten to tracehook_report_clone() yet. Now we
* clear it and set the child going.
*/
p->flags &= ~PF_STARTING;
wake_up_new_task(p, clone_flags); //将子进程的task_struct放入到新调度器队列中
tracehook_report_clone_complete(trace, regs,
clone_flags, nr, p);
//如果设置了CLONE_VFORK,
//就把父进程插入到等待队列中，直到子进程释放了自己的内存地址空间（也就是子进程结束或执行新的程序）
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
freezer_do_not_count();
wait_for_completion(&vfork); //父进程将在改变量上进入睡眠状态
freezer_count();
tracehook_report_vfork_done(p, nr);
}
} else {
nr = PTR_ERR(p);
}
return nr;
}
（1）p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size, child_tidptr, NULL, trace);执行实际的进程复制工作；
（2）if (clone_flags & CLONE_VFORK) 表示如果是执行vfork这个函数，父进程会睡眠下去；
copy_process中关键代码1
设置task_struct和系统堆栈
//task_struct可以在内存中的任何位置
p = dup_task_struct(current); //为子进程获取并设置进程描述符,并且设置好了thread_info
if (!p)
goto fork_out;
static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig){ struct task_struct *tsk; struct thread_info *ti; unsigned long *stackend; int err; prepare_to_copy(orig); //保存FPU等寄存器内容到thread_info中 tsk = alloc_task_struct(); //kem, 获取新的进程描述符task_struct的内存 if (!tsk) return NULL; ti = alloc_thread_info(tsk); //task无用处，使用get_free_pages获得两个页大小的内存 if (!ti) { //ti若分配失败，还要释放原内存 free_task_struct(tsk); return NULL; } err = arch_dup_task_struct(tsk, orig); //将旧的task_struct复制给新的task_struct if (err) goto out; tsk->stack = ti; //改变新进程的stack指向到新的thread_info中 err = prop_local_init_single(&tsk->dirties); if (err) goto out; setup_thread_stack(tsk, orig); //链接task_struct和thread_info，确定内存布局，相互指向 clear_user_return_notifier(tsk); clear_tsk_need_resched(tsk); stackend = end_of_stack(tsk); *stackend = STACK_END_MAGIC; /* for overflow detection */#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR tsk->stack_canary = get_random_int();#endif /* One for us, one for whoever does the "release_task()" (usually parent) */ atomic_set(&tsk->usage,2); //要将新进程的使用计数置为2 atomic_set(&tsk->fs_excl, 0);#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE tsk->btrace_seq = 0;#endif tsk->splice_pipe = NULL; account_kernel_stack(ti, 1); return tsk;out: free_thread_info(ti); free_task_struct(tsk); return NULL;}
int arch_dup_task_struct(struct task_struct *dst, struct task_struct *src){ int ret; *dst = *src; //拷贝两个进程描述符号 if (fpu_allocated(&src->thread.fpu)) { //若源的fpu设置了，那么还要分配thread的fpu内存 memset(&dst->thread.fpu, 0, sizeof(dst->thread.fpu)); //清空目的的fpu ret = fpu_alloc(&dst->thread.fpu); if (ret) return ret; fpu_copy(&dst->thread.fpu, &src->thread.fpu); //分配好了，直接拷贝 } return 0;}
copy_process中关键代码2
一些字段的设置
p->did_exec = 0; //记录进程发出execve()的次数
delayacct_tsk_init(p); /* Must remain after dup_task_struct() */
copy_flags(clone_flags, p);
INIT_LIST_HEAD(&p->children);
INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);
rcu_copy_process(p);
p->vfork_done = NULL;
spin_lock_init(&p->alloc_lock);
init_sigpending(&p->pending); //初始化好信号处理
//初始化cpu的统计字段
p->utime = cputime_zero;
p->stime = cputime_zero;
p->gtime = cputime_zero;
p->utimescaled = cputime_zero;
p->stimescaled = cputime_zero;
copy_process中关键代码2
设置子进程的调度信息
/* Perform scheduler related setup. Assign this task to a CPU. */
sched_fork(p, clone_flags); //完成对新进程调度程序数据结构的初始化
copy_process中关键代码3
复制和共享进程的各个部分
if ((retval = audit_alloc(p)))
goto bad_fork_cleanup_policy;
/* copy all the process information */
if ((retval = copy_semundo(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_audit;
if ((retval = copy_files(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_semundo;
if ((retval = copy_fs(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_files;
if ((retval = copy_sighand(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_fs;
if ((retval = copy_signal(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_sighand;
if ((retval = copy_mm(clone_flags, p))) //进程地址空间的处理
goto bad_fork_cleanup_signal;
if ((retval = copy_namespaces(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_mm;
if ((retval = copy_io(clone_flags, p)))
goto bad_fork_cleanup_namespaces;
//设置子进程的内核栈
retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p, regs);
copy_files
static int copy_files(unsigned long clone_flags, struct task_struct * tsk)
{
struct files_struct *oldf, *newf;
int error = 0;
/*
* A background process may not have any files ...
*/
oldf = current->files; //原进程的files_struct
if (!oldf)
goto out;
if (clone_flags & CLONE_FILES) { //共享打开的文件表
atomic_inc(&oldf->count); //增加引用计数
goto out;
}
newf = dup_fd(oldf, &error);
if (!newf)
goto out;
tsk->files = newf;
error = 0;
out:
return error;
}
copy_thread
int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
unsigned long unused,
struct task_struct *p, struct pt_regs *regs)
{
struct pt_regs *childregs;
struct task_struct *tsk;
int err;
//填充包含了所有的寄存器
childregs = task_pt_regs(p);
*childregs = *regs;
childregs->ax = 0; //子进程的返回值，为0
childregs->sp = sp; //子进程的用户空间栈地址
p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //指向子进程的用户空间
p->thread.sp0 = (unsigned long) (childregs+1); //指向子进程系统空间堆栈中的pt_regs
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //子进程开始调用的函数
task_user_gs(p) = get_user_gs(regs);
p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
tsk = current;
err = -ENOMEM;
memset(p->thread.ptrace_bps, 0, sizeof(p->thread.ptrace_bps));
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;
}
copy_process中关键代码4
获得子进程pid
if (pid != &init_struct_pid) {
retval = -ENOMEM;
pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns); //分配好一个pid
if (!pid)
goto bad_fork_cleanup_io;
if (clone_flags & CLONE_NEWPID) {
retval = pid_ns_prepare_proc(p->nsproxy->pid_ns);
if (retval < 0)
goto bad_fork_free_pid;
}
}
p->pid = pid_nr(pid); //得到全局的nr
p->tgid = p->pid;
if (clone_flags & CLONE_THREAD)
p->tgid = current->tgid; //设置好线程组id
if (current->nsproxy != p->nsproxy) {
retval = ns_cgroup_clone(p, pid);
if (retval)
goto bad_fork_free_pid;
}
//改变子进程用户地址空间的child_tidptr的内存值
p->set_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_SETTID) ? child_tidptr : NULL; //也保存在对应的值上面去
/*
* Clear TID on mm_release()?
*/
//在mm_release时，将0写到child_tidptr中去
p->clear_child_tid = (clone_flags & CLONE_CHILD_CLEARTID) ? child_tidptr: NULL;
copy_process中关键代码5
线程还是进程
/* CLONE_PARENT re-uses the old parent */
if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD)) { //在父进程的同一进程组，同一个父亲
p->real_parent = current->real_parent; //当前线程和创建的线程的父亲同一个线程
p->parent_exec_id = current->parent_exec_id;
} else { //否则real_parent指向本进程
p->real_parent = current;
p->parent_exec_id = current->self_exec_id;
}
线程
if (clone_flags & CLONE_THREAD) { //子进程放入到同一线程组去
current->signal->nr_threads++;
atomic_inc(¤t->signal->live);
atomic_inc(¤t->signal->sigcnt);
p->group_leader = current->group_leader; //指向线程组组长
list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group); //加入到线程组中去
}
execve
/*
* sys_execve() executes a new program.
*/
long sys_execve(const char __user *name,
const char __user *const __user *argv,
const char __user *const __user *envp, struct pt_regs *regs)
{
long error;
char *filename;
filename = getname(name); //找到可执行文件名
error = PTR_ERR(filename);
if (IS_ERR(filename))
return error;
error = do_execve(filename, argv, envp, regs);
#ifdef CONFIG_X86_32
if (error == 0) {
/* Make sure we don't return using sysenter.. */
set_thread_flag(TIF_IRET);
}
#endif
putname(filename);
return error;
}
do_execve中关键代码
file = open_exec(filename); //找到file
retval = PTR_ERR(file);
if (IS_ERR(file))
goto out_unmark;
sched_exec();
bprm->file = file; //设置相应的参数
bprm->filename = filename; //名称
bprm->interp = filename;
retval = bprm_mm_init(bprm);
if (retval)
goto out_file;
bprm->argc = count(argv, MAX_ARG_STRINGS); //计算长度
retval = search_binary_handler(bprm,regs); //用于找到一种适当的二进制格式，如a.out, elf格式等
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm,struct pt_regs *regs)说明几点
{
unsigned int depth = bprm->recursion_depth;
int try,retval;
struct linux_binfmt *fmt;
retval = security_bprm_check(bprm);
if (retval)
return retval;
/* kernel module loader fixup */
/* so we don't try to load run modprobe in kernel space. */
set_fs(USER_DS);
retval = audit_bprm(bprm);
if (retval)
return retval;
retval = -ENOENT;
for (try=0; try<2; try++) { //装入模块后，需再尝试一次
read_lock(&binfmt_lock);
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
int (*fn)(struct linux_binprm *, struct pt_regs *) = fmt->load_binary;
if (!fn)
continue;
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
retval = fn(bprm, regs); //执行对应的装入函数 <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">load_aout_binary</span>
（1）load_aout_binary为a.out可执行文件格式的装入，此外还支持elf和脚本等格式文件的装入；