Linux第六周学习总结——进程额管理和进程的创建

Linux第六周学习总结——进程额管理和进程的创建

作者：刘浩晨

【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

操作系统内核三大功能：进程管理（核心）、内存管理和文件系统。

1. 进程控制快PCB——进程描述符task_struct数据结构

   进程状态（五种状态）转化：
   
   

   注意：就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，具体是就绪还是执行要看系统当前的资源分配情况。

2. 进程标识符PID
   
   进程标识符pid_t pid唯一地标识进程

3. 所有进程链表struct list_ head tasks;
   
   双向循环链表链接起了所有的进程，也表示了父子、兄弟等进程关系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。

4. 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。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。

5. 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。

6. struct thread_ struct thread; //与当前任务CPU状态相关，对进程上下文切换有关键性作用

7. struct mm_struct *mm, *active_mm; //内存管理进程的地址空间

8. struct files_struct *files; //打开文件描述符列表

二、 进程的创建

1. 进程的创建概览及fork一个进程的源代码

进程的起源回顾：

start_ kernel创建了cpu_ idle，即0号进程。0号进程又创建了两个线程，一个是kernel_ init，即1号进程，这个进程最终启动了用户态；另一个是kthreadd。0号进程是固定的代码，1号进程是通过复制0号进程PCB之后在此基础上做修改得到的。

2.fork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) //pid == 0和下面的else都会被执行到（一个是在父进程中即pid ==0的情况，一个是 在子进程中，即pid不等于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");
    }
}

3. 系统调用回顾

• iret与int 0x80指令对应，一个是弹出寄存器值，一个是压入寄存器的值。
• 如果将系统调用类比于fork()；那么就相当于系统调用创建了一个子进程，然后子进程返回之后将在内核态运行，而返回到父进程后仍然在用户态运行。

4.创建一个新进程在内核中的执行过程

fork、vork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，都通过调用do_fork()实现进程创建。

Linux通过复制父进程创建新进程：

• 复制一个PCB——task_struct

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

• 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

• 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。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，并不是全部，只是regs结构体（内核堆栈栈底的程序）

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，也就是说返回的就是子进程的空间了

5.创建的新进程从哪里开始执行？

一个新创建的子进程，获得CPU之后，从哪一行代码进程执行：

• 与之前写过的my_ kernel相比较，kernel中是可以指定新进程开始的位置（也就是通过eip寄存器指定代码行）。fork中也有相似的机制

• 这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copy_ thread in copy_ process设定的

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈，并不是全部，只是regs结构体（内核堆栈栈底的程序）

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，也就是说返回的就是子进程的空间了

三、 实验——分析Linux内核创建一个新进程的过程

1.更新menu内核，删除test_fork.c以及test.cc，并重新执行make rootfs

2.比原先多出fork命令，编译内核查看：

3.启动gdb跟踪调试内核，在一些重要函数处设置断点：

4.在MenuOS中执行fork，停在父进程中。继续执行后，停在do_fork的位置：

5.n命令进行单步执行，依次进入copy_process、dup_task_struct。此时父进程的PCB（task_struct数据结构）已经复制过来。s命令进入函数，可以看到dst = src：

6.copy_thread函数中，把task_pg_regs(p)也就是内核堆栈特定的地址找到并初始化

7.当前进程的内核堆栈寄存器中的值复制到子进程中

8.164行：p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //确定返回地址

9.当程序跳转到syscall_exit，就不能再继续gdb跟踪调试，输入finish使得进程运行完。

总结：

1.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。

2.Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构。

3.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。

4.fork()函数被调用一次，但返回两次。