2018-2019-1 20189215 《Linux内核原理与分析》第七周作业

《庖丁解牛》第六章书本知识总结

1. 操作系统内个实现操作系统的三大管理功能：进程管理、内存管理、文件系统。分别对应《操作系统原理》中最重要的3个抽象概念是进程、虚拟内存和文件。
2. Linux中的进程描述符struct task_struct就是PCB进程控制块。
3. Linux内核管理的进程状态转换图
   
   
4. 进程描述符struct task_struct记录了当前进程的父进程real_parent、parent。
5. 双向链表struct list_head children记录当前进程的子进程。
6. 双向链表struct list_head sibling记录当前进程的兄弟进程。
7. fork系统调用创建了一个子进程，子进程复制了父进程中所有的进程信息，包括内核堆栈、进程描述符等，子进程作为一个独立的进程也会被调度。
8. fork、vfork、clone系统调用和kernel_thread内核函数都可以创建一个新进程，而且都是通过do_fork函数来创建进程的，只不过传递的参数不同。
9. fork一个子进程的过程中，复制父进程的资源时采用了Copy On Write（写时复制）技术，不需要修改进程资源，父子进程是共享内存存储空间的。
10. do_fork主要完成了调用copy_process()复制父进程信息、获得pid、调用wake_up_new_task将子进程加入调度器队列等待获得分配CPU资源运行、通过clone_flags标志做一些辅助工作。
    
    do_fork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;
}

1. copy_process函数主要完成课调用dup_task_struct复制当前进程（父进程）描述符task_struct、信息检查、初始化、把进程状态设置为TASK_RUNNING（此时子进程置为就绪态）、采用写时复制技术逐一复制所有其他进程资源、调用copy_thread初始化子进程内核栈、设置子进程pid等。
   
   copy_process代码：

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;
    ...
    retval = security_task_create(clone_flags);//安全性检查
    ...
    p = dup_task_struct(current);   //复制PCB,为子进程创建内核栈、进程描述符
    ftrace_graph_init_task(p);
    ···

    retval = -EAGAIN;
    // 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;
    }
    ...
    // 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;

    if (!try_module_get(task_thread_info(p)->exec_domain->module))
        goto bad_fork_cleanup_count;
    ...
    spin_lock_init(&p->alloc_lock);          //初始化自旋锁
    init_sigpending(&p->pending);           //初始化挂起信号
    posix_cpu_timers_init(p);               //初始化CPU定时器
    ···
    retval = sched_fork(clone_flags, p);  //初始化新进程调度程序数据结构，把新进程的状态设置为TASK_RUNNING,并禁止内核抢占
    ...
    // 复制所有的进程信息
    shm_init_task(p);
    retval = copy_semundo(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_files(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_fs(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_sighand(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_signal(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_mm(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_io(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);// 初始化子进程内核栈
    ...
    //若传进来的pid指针和全局结构体变量init_struct_pid的地址不相同，就要为子进程分配新的pid
    if (pid != &init_struct_pid) {
        retval = -ENOMEM;
        pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
        if (!pid)
            goto bad_fork_cleanup_io;
    }

    ...
    p->pid = pid_nr(pid);    //根据pid结构体中获得进程pid
    //若 clone_flags 包含 CLONE_THREAD标志，说明子进程和父进程在同一个线程组
    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->exit_signal = -1;
        p->group_leader = current->group_leader; //线程组的leader设为子进程的组leader
        p->tgid = current->tgid;       //子进程继承父进程的tgid
    } else {
        if (clone_flags & CLONE_PARENT)
            p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
        else
            p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
        p->group_leader = p;          //子进程的组leader就是它自己

        p->tgid = p->pid;        //组号tgid是它自己的pid
    }

    ...

    if (likely(p->pid)) {
        ptrace_init_task(p, (clone_flags & CLONE_PTRACE) || trace);

        init_task_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
        if (thread_group_leader(p)) {
            ...
            // 将子进程加入它所在组的哈希链表中
            attach_pid(p, PIDTYPE_PGID);
            attach_pid(p, PIDTYPE_SID);
            __this_cpu_inc(process_counts);
        } else {
            ...
        }
        attach_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr_threads++;     //增加系统中的进程数目
    }
    ...
    return p;             //返回被创建的子进程描述符指针P
    ...
}

clone, fork, vfork区别与联系

系统调用服务例程sys_clone, sys_fork, sys_vfork三者最终都是调用do_fork函数完成。

do_fork的参数与clone系统调用的参数类似，不过多了一个regs(内核栈保存的用户模式寄存器).，实际上其他的参数也都是用regs取的。

• 具体实现的参数不同

1. clone:
   
   clone的API外衣, 把fn, arg压入用户栈中, 然后引发系统调用. 返回用户模式后下一条指令就是fn.
   
   sysclone: parent_tidptr, child_tidptr都传到了 do_fork的参数中
   
   sysclone: 检查是否有新的栈, 如果没有就用父进程的栈 (开始地址就是regs.esp)
2. fork, vfork:
   
   服务例程就是直接调用do_fork, 不过参数稍加修改
   
   clone_flags:
   
   sys_fork: SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
   
   sys_vfork: CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
   
   用户栈: 都是父进程的栈.
   
   parent_tidptr, child_ctidptr都是NULL.

实验：分析Linux内核创建一个新进程的过程

本次实验中使用的fork命令是用sys_clone系统调用实现的，因此断点设置在sys_clone。

本次实验通过实践，调试应按照以下顺序进行。

1. 配置好menuos，使用fork命令
   
   
2. 先设置sys_clone断点
   
   
3. 运行到sys_clone后，设置其它断点`
   
   
4. 进入do_fork函数
   
   
5. 在do_fork函数中会调用copy_process
   
   
6. 在copy_process中调用dup_task_struct
   
   
7. 在copy_process中调用copy_thread
   
   
8. 子进程ret
   
   

实验过程流程图

参考资料

《庖丁解牛Linux》

Linux中fork，vfork和clone详解（区别与联系）