Linux内核实验作业六

实验作业：分析Linux内核创建一个新进程的过程

20135313吴子怡.北京电子科技学院

【第一部分】阅读理解task_struct数据结构

1.进程是计算机中已运行程序的实体。在面向线程设计的系统（Linux 2.6及更新的版本）中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。

2.在Linux中,task_struct其实就是通常所说的PCB。该结构定义位于:

/include/linux/sched.h

3.task_struct比较庞大,其中比较重要的几个参数:

volatile long state;进程状态【可见/include/linux/sched.h文件中的宏,TASK_RUNNING等】

unsigned int rt_priority;实时优先级

unsigned int policy;调度策略

struct task_struct __rcu *real_parent;real parent

struct list_head children;list of my children

pid_t pid;进程标识符

struct files_struct *files;系统打开文件

4.操作系统的三大功能：进程管理、内存管理和文件系统

5.进程控制块PCB——task_struct

1）进程在TASK_RUNNING下是可运行的，但它有没有运行取决于它有没有获得cpu的控制权，即这个进程有没有在cpu上实际的执行

2）进程的标示pid

3）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。

【第二部分】分析fork函数对应的内核处理过程sys_clone，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构

1.Linux中创建进程一共有三个函数：

fork，创建子进程
vfork，与fork类似，但是父子进程共享地址空间，而且子进程先于父进程运行。
clone，主要用于创建线程

2.进程创建过程

【fork是通过触发0x80中断，陷入内核，来使用内核提供的提供调用。】

SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
    return do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL);
}
#endif

SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0,
            0, NULL, NULL);
}

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
         int __user *, parent_tidptr,
         int __user *, child_tidptr,
         int, tls_val)
{
    return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}

分析：fork、vfork和clone这三个函数最终都是通过do_fork函数实现的。

3.分析do_fork的代码：

long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;

    // ...

    // 复制进程描述符，返回创建的task_struct的指针
    p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);

    if (!IS_ERR(p)) {
        struct completion vfork;
        struct pid *pid;

        trace_sched_process_fork(current, p);

        // 取出task结构体内的pid
        pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr = pid_vnr(pid);

        if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
            put_user(nr, parent_tidptr);

        // 如果使用的是vfork，那么必须采用某种完成机制，确保父进程后运行
        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
            get_task_struct(p);
        }

        // 将子进程添加到调度器的队列，使得子进程有机会获得CPU
        wake_up_new_task(p);

        // ...

        // 如果设置了 CLONE_VFORK 则将父进程插入等待队列，并挂起父进程直到子进程释放自己的内存空间
        // 保证子进程优先于父进程运行
        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
                ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
        }

        put_pid(pid);
    } else {
        nr = PTR_ERR(p);
    }
    return nr;
}

do_fork处理了以下内容：

1. 调用copy_process，将当期进程复制一份出来为子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。
2. 初始化vfork的完成处理信息（如果是vfork调用）
3. 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，得以运行。
4. 如果是vfork调用，需要阻塞父进程，知道子进程执行exec。

上面的过程对vfork稍微做了处理，因为vfork必须保证子进程优先运行，执行exec，替换自己的地址空间。抛开vfork，进程创建的大部分过程都在copy_process函数中。

4.进程创建的关键copy_process

【以下指示部分关键代码】

/*
    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
*/
static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
                    unsigned long stack_start,
                    unsigned long stack_size,
                    int __user *child_tidptr,
                    struct pid *pid,
                    int trace)
{
    int retval;
    struct task_struct *p;

    // 分配一个新的task_struct，此时的p与当前进程的task，仅仅是stack地址不同
    p = dup_task_struct(current);

    // 检查该用户的进程数是否超过限制
    if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
            task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
        // 检查该用户是否具有相关权限，不一定是root
        if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
            !capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
            goto bad_fork_free;
    }

    retval = -EAGAIN;
    // 检查进程数量是否超过 max_threads，后者取决于内存的大小
    if (nr_threads >= max_threads)
        goto bad_fork_cleanup_count;

    // 初始化自旋锁

    // 初始化挂起信号

    // 初始化定时器

    // 完成对新进程调度程序数据结构的初始化，并把新进程的状态设置为TASK_RUNNING
    retval = sched_fork(clone_flags, p);
    // .....

    // 复制所有的进程信息
    // copy_xyz

    // 初始化子进程的内核栈
    retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_io;

    if (pid != &init_struct_pid) {
        retval = -ENOMEM;
        // 这里为子进程分配了新的pid号
        pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
        if (!pid)
            goto bad_fork_cleanup_io;
    }

    /* ok, now we should be set up.. */
    // 设置子进程的pid
    p->pid = pid_nr(pid);
    // 如果是创建线程
    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->exit_signal = -1;
        // 线程组的leader设置为当前线程的leader
        p->group_leader = current->group_leader;
        // tgid是当前线程组的id，也就是main进程的pid
        p->tgid = current->tgid;
    } else {
        if (clone_flags & CLONE_PARENT)
            p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
        else
            p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
        // 创建的是进程，自己是一个单独的线程组
        p->group_leader = p;
        // tgid和pid相同
        p->tgid = p->pid;
    }

    if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD)) {
        // 如果是创建线程，那么同一线程组内的所有线程、进程共享parent
        p->real_parent = current->real_parent;
        p->parent_exec_id = current->parent_exec_id;
    } else {
        // 如果是创建进程，当前进程就是子进程的parent
        p->real_parent = current;
        p->parent_exec_id = current->self_exec_id;
    }

    // 将pid加入PIDTYPE_PID这个散列表
    attach_pid(p, PIDTYPE_PID);
    // 递增 nr_threads的值
    nr_threads++;

    // 返回被创建的task结构体指针
    return p;
}

分析copy_process的大体流程：

1. 检查各种标志位（已经省略）
2. 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。
3. 检查进程的数量限制。
4. 初始化定时器、信号和自旋锁。
5. 初始化与调度有关的数据结构，调用了sched_fork，这里将子进程的state设置为TASK_RUNNING。
6. 复制所有的进程信息，包括fs、信号处理函数、信号、内存空间（包括写时复制）等。
7. 调用copy_thread，这又是关键的一步，这里设置了子进程的堆栈信息。
    8. 为子进程分配一个pid
9. 设置子进程与其他进程的关系，以及pid、tgid等。这里主要是对线程做一些区分。

5.dup_task_struct

简化后的代码如下：

static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
    struct task_struct *tsk;
    struct thread_info *ti;
    int node = tsk_fork_get_node(orig);
    int err;

    // 分配一个task_struct结点
    tsk = alloc_task_struct_node(node);
    if (!tsk)
        return NULL;

    // 分配一个thread_info结点，其实内部分配了一个union，包含进程的内核栈
    // 此时ti的值为栈底，在x86下为union的高地址处。
    ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
    if (!ti)
        goto free_tsk;

    err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
    if (err)
        goto free_ti;

    // 将栈底的值赋给新结点的stack
    tsk->stack = ti;

    // ...

    // 返回新申请的结点
    return tsk;
}
dup_task_struct的代码要结合一个联合体的定义来分析。

union thread_union {
   struct thread_info thread_info;
    unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

分析：x86体系结构的栈空间，按照从高到低的方式增长。而C中的结构体，是按从低到高的方式使用。因此我们声明一个联合体，低地址用作thread_info，高地址用作栈底。这样做还有一个好处，就是thread_info中存放着一个task_struct的指针，这样我们根据栈底地址就可以通过thread_info快速定位到进程对应的task_struct指针。

在dup_task_struct中：

1. 先调用alloc_task_struct_node分配一个task_struct结构体。
2. 调用alloc_thread_info_node，分配了一个union，注意，这里不仅仅分配了一个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。
3. tsk->stack = ti;这句话，就是将栈底的地址赋给task的stack变量。

所以，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。

6.copy_thread

在copy_process中，copy_thread函数为子进程准备了上下文堆栈信息。代码如下：

// 初始化子进程的内核栈
int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
    unsigned long arg, struct task_struct *p)
{

    // 获取寄存器信息
    struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
    struct task_struct *tsk;
    int err;

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

    // 如果是创建的内核线程
    if (unlikely(p->flags & PF_KTHREAD)) {
        /* kernel thread */
        memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
        // 内核线程开始执行的位置
        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;
    }

    // 将当前进程的寄存器信息复制给子进程
    *childregs = *current_pt_regs();
    // 子进程的eax置为0，所以fork的子进程返回值为0
    childregs->ax = 0;
    if (sp)
        childregs->sp = sp;

    // 子进程从ret_from_fork开始执行
    p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
    task_user_gs(p) = get_user_gs(current_pt_regs());

    return err;
}

分析：copy_thread的流程如下：

1. 获取子进程寄存器信息的存放位置
2. 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。
3. 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
4. 将父进程的寄存器信息复制给子进程。
5. 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.
6. 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。

子进程复制了父进程的上下文信息，仅仅对某些地方做了改动，运行逻辑和父进程完全一致。

另外，子进程从ret_from_fork处开始执行。

7.新进程的执行

新进程从ret_from_fork处开始执行，子进程的运行是由这几处保证的：

1. dup_task_struct中为其分配了新的堆栈
2. copy_process中调用了sched_fork，将其置为TASK_RUNNING
3. 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。
4. 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。

【第三部分】使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数sys_clone ，创建一个新进程

①首先，设置以下断点:

②运行后首先停在sys_clone处:

③然后是do_fork,之后是copy_process:

④进入copy_thread:

⑤在copy_thread中,我们可以查看p的值

⑥返回copy_process后再查看,将得到一个value optimized out的提示,这是因为Linux内核打开gcc的-O2选项优化导致。

⑦ret_from_fork按照之前的分析被调用,跟踪到syscall_exit后无法继续.如果想在本机调试system call，那么当你进入system call时，系统已经在挂起状态了。如果想要跟踪调试system_call,可以使用kgdb等

【第四部分】新进程是从哪里开始执行的？为什么从哪里能顺利执行下去？执行起点与内核堆栈如何保证一致？

【Q1&2】//函数copy_process中的copy_thread()//

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
    unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
    ...
    *childregs = *current_pt_regs();
    childregs->ax = 0;
    if (sp)
        childregs->sp = sp;
    p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
    ...
}

//子进程执行ret_from_fork//

ENTRY(ret_from_fork)
    CFI_STARTPROC
    pushl_cfi %eax
    call schedule_tail
    GET_THREAD_INFO(%ebp)
    popl_cfi %eax
    pushl_cfi $0x0202       # Reset kernel eflags
    popfl_cfi
    jmp syscall_exit
    CFI_ENDPROC
END(ret_from_fork)

首先有两个小问题：

①为什么 fork 在子进程中返回0？原因是childregs->ax = 0;这段代码将子进程的 eax 赋值为0。

②p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;这句代码将子进程的 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。

因此，函数copy_process中的copy_thread()决定了子进程从系统调用中返回后的执行。

【Q3】执行起点与内核堆栈如何保证一致?

在ret_from_fork之前,也就是在copy_thread()函数中：

*childregs = *current_pt_regs();

该句将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,*childregs的类型为pt_regs,里面存放了SAVE ALL中压入栈的参数。故在之后的RESTORE ALL中能顺利执行下去。

【第五部分】总结

“Linux系统创建一个新进程”的理解

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。为了把内核中的所有进程组织起来，Linux提供了几种组织方式，其中哈希表和双向循环链表方式是针对系统中的所有进程（包括内核线程），而运行队列和等待队列是把处于同一状态的进程组织起来。

fork()函数被调用一次，但返回两次。

以下是进程创建流程图：

可以通过fork，复制一个已有的进程，进而产生一个子进程，新进程几乎但不完全与父进程相同。子进程得到和父进程用户级虚拟地址空间相同的一份拷贝，包括代码段，数据段和bss段，堆以及用户栈。子进程还获得和父进程任何打开文件描述符相同的拷贝，最大的区别就是在于他们拥有不同的PID.

【第六部分】附录

学习笔记请走链接：点我！

作者：吴子怡

学号：20135313

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