Linux内核分析第六周学习总结：进程的描述和进程的创建

韩玉琪 + 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

为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。

1. 进程控制块PCB——task_struct

• 操作系统的三大管理功能

    - 进程管理
    - 内存管理
    - 文件系统
  

• PCB task_struct中包含

    - 进程状态
    - 进程打开的文件
    - 进程优先级信息
  

• struct task_struct数据结构很庞大

2. Linux进程的状态

• 不同于操作系统（就绪、运行、阻塞）

  

  图片来源：《Linux内核设计与实现》

• 定义的进程状态

  

3. 我们关心的字段

• 查看task_struct

  

• 进程的标识pid

  

• 所有进程链表struct list_head tasks

• 双向循环链表

  

• 继承关系

  

• CPU相关状态

  

4. 分析内核处理过程

（1）do_fork

• 调用copy_process，将当前进程复制一份出来给子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。
• 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运行。

（2）copy_process

• 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
• 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。
• 复制所有的进程信息
• 调用copy_thread，设置子进程的堆栈信息，为子进程分配一个pid。

（3）dup_ task_ struct

• 先调用alloc_task_struct_node分配一个task_struct结构体。

• 调用alloc_thread_info_node，分配了一个union。这里分配了一个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。

• tsk->stack = ti将栈底的地址赋给task的stack变量。

• 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。

（4）copy_thread

• 获取子进程寄存器信息的存放位置
• 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。
• 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
• 将父进程的寄存器信息复制给子进程。
• 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.
• 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。

（5）运行新进程

从ret_from_fork处开始执行

• dup_task_struct中为其分配了新的堆栈
• copy_process中调用了sched_fork，将其置为TASK_RUNNING
• 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。
• 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。

二、进程的创建

1. fork

• fork系统调用在父进程和子进程各返回一次
• 子进程中返回的是0，父进程中返回值是子进程的pid。

2. 创建一个新进程在内核中的执行过程

fork、vfork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，而且都是通过调用do_fork来实现进程的创建。

• 创建新进程是通过复制当前进程实现的。

do_fork主要是复制了父进程的task_struct，然后修改必要的信息，从而得到子进程的task_struct。

• 复制一个PCB——task_struct

    err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
  

• 要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
  

• 要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等。

3. 子进程系统调用处理过程

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
childregs->ax = 0; //子进程的fork返回0的原因
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

• 刚fork出来的子进程是从ret_from_fork开始执行的，然后跳转到syscall_exit，从系统调用中返回。

三、实践：分析Linux内核创建一个新进程的过程

1. 启动MenuOS

cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs

2. gdb调试fork命令

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

• 在新窗口中启动调试：

    $ gdb
    $ file linux-3.18.6/vmlinux
    $ target remote:1234
  

• 设置断点：

  

    - b sys_clone
    - b do_fork
    - b dup_task_struct
    - b copy_process
    - b copy_thread
    - b ret_from_fork
  

• 在Menu系统中输入fork指令，可以看到只输出了fork功能的描述，在断点处sys_clone处停止了。

  

• 继续调试，停在do_ fork 和copy_ process

  

• 程序停在dup_task_struct函数处

  

• 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。

  

  

• 程序停止在了ret_ from_ fork处，当前系统执行的是汇编代码。（同时打印出进程信息）

  

四、总结

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。

1. 新进程的开始

• copy_thread()中：

    p->thread.ip = (unsigned long) ret _from _fork;
  

• 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。

2. 执行起点与内核堆栈保证一致

• 在设置子进程的ip之前：

    *childregs = *current_ pt_ regs();
  

• 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，其中存放了SAVE ALL中压入栈的参数。