Linux内核设计第六周

——进程的描述和创建

第一部分知识点总结

一、进程描述符task_struct数据结构

1、操作系统的三大功能:

进程管理、内存管理、文件系统

2、进程的作用：

将信号、进程间通信、内存管理和文件系统联系起来

3、进程控制块PCB——task_struct数据结构

提供了内核需要了解的信息

4、task_struct结构庞大，有400多行代码。包含了进程状态、内核堆栈等相关信息的定义。可以从下面的图示中，清晰的看出大体的框架。

5、Linux的进程和操作系统原理中描述的进程状态（就绪状态、运行状态、阻塞状态）有所不同，实际内核中，就绪和运行状态都用TASK_RUNNING表示。

6、进程标志符pid/tpid——用于标识进程

7、总体浏览task_struct结构

二、进程的创建概览及fork一个进程的用户态代码

1、进程创建的关键信息：状态、内核堆栈、CPU上下文切换、链接、文件系统、信号、内存等。

2、进程的起源

3、进程创建步骤：

复制进程描述符

修改子进程的PCB信息

4、shell命令如何创建子进程

使用fork函数在用户态创建子进程

fork系统调用在父进程和子进程各返回一次

在子进程中，返回0，在父进程中，返回子进程ID

三、理解进程创建过程复杂代码的方法

理解进程创建过程复杂代码的方法:

先根据对功能的理解，自己预想可以怎样实现；

再从源代码中，找到和预想相似的证据。

1、系统调用复习

从系统内核理解

从用户程序理解

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 < )
    {
        /* error occurred */
        fprintf(stderr,"Fork Failed!");
        exit(-);
    }
    else if (pid == ) //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、fork、vork、clone都可以创建一个子进程，它们都调用了do_fork()实现进程创建。

四、浏览进程创建过程的关键代码

1、复制PCB——task_struct

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

2、给新进程创建新的内核堆栈

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);//创建新的内核堆栈
tsk->stack = ti;
setup_thread_stack(tsk, orig); //这里只是复制thread_info，而非复制内核堆栈
setup_thread_stack(tsk,orig);

3复制copy_process

即内核堆栈中的thread.sp的内容

4、fork执行过程分析

5、子进程是从哪里执行的？
代码部分为

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

ret_from_fork就是子函数开始执行的地方，我们查看ret_from_fork在系统文件entry32.h中的定义可以发现，是执行了如下图所示的过程。

第二部分实验部分

1、更新menu，删除test_fork.c和test.c文件，重新执行make rootfs

2、重新make rootfs之后，可以看到内核被启动

3、像之前的实验一样，启动gdb调试

4、在fork系统调用的关键代码处，设置断点。

5、在Menu系统中输入fork指令，可以看到只输出了fork功能的描述，没有之后的部分，说明该过程在断点处停止了。

6、单步调试，可以看到程序停在了copy_process函数处

7、继续单步执行，程序再次停在了dup_task_struct函数处

8、进入duptaskstruct函数，继续单步执行，程序再次停在了duptaskstruct函数处

9、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。

10、继续执行单步调试，如图所示，当前内核堆栈寄存器中的值复制到子进程中

11、如图所示，标记代码的作用是，设置子进程被调度的起点

12、如图所示，我们可以看到程序停止在了ret_from_fork处

13、对ret_from_fork继续执行单步调试，我们可以看，当前系统执行的是汇编代码

14、当程序跳转到syscall_exit处后，就不能再继续gdb跟踪调试了

总结：

子进程是从ret_ from_ fork开始执行的。子进程在进入sys_ call之前与父进程的堆栈状态相同，ret_ from_ fork中跳转到了syscall_ exit，继续执行上周我们分析过的部分，注意：当子进程获得CPU控制权的时候，它的ret_ from_ fork可以把后面堆栈从iret返回到用户态，这里的用户态是子进程的用户态

宋宸宁+ 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