LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述与创建

标签(空格分隔): 20135321余佳源


余佳源 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

1.操作系统三大功能

  • 进程管理

  • 内存管理

  • 文件系统

      最核心的是进程管理

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

来自课件↓

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。

struct task_struct数据结构很庞大

Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同,比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING,为什么呢?

进程的标示pid

所有进程链表struct list_head tasks;

内核的双向循环链表的实现方法 - 一个更简略的双向循环链表

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

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

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,那为什么PCB中没有用户态堆栈?用户态堆栈是怎么设定的?

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

struct thread_struct thread; //CPU-specific state of this task

文件系统和文件描述符

内存管理——进程的地址空间

分析:

pid_t pid又叫进程标识符,唯一地标识进程
list_head tasks即进程链表
——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
struct mm_struct 指的是进程地址空间,涉及到内存管理(对于X86而言,一共有4G的地址空间)
thread_struct thread 与CPU相关的状态结构体
struct *file表示打开的文件链表
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

4.进程状态转换图

Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态有所不同,比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING
一般操作系统原理中描述的进程状态有就绪态,运行态,阻塞态,但是在实际内核进程管理中是不一样的。

struct task_struct数据结构很庞大

struct task_struct {
volatile long state; /* 进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
void *stack; /* 进程的内核堆栈 */
atomic_t usage;
unsigned int flags; /* 每个进程的标识符 */
unsigned int ptrace; / #ifdef CONFIG_SMP // 条件编译,SMP多处理器相关 ……
int on_rq // 运行队列相关,下面几行是进程队列和调度相关。
…… struct list_head tasks // 进程链表 …… next_task
prev_task // 对进程链表的管理 tty_struct // 控制台 fs_struct // 文件系统
struct files_struct *files; // 打开的文件描述符列表 file_struct // 打开的文件描述符 mm_struct // 内存管理描述
struct mm_struct *mm, *active_mm; // 地址空间,内存管理。 signal_struct // 进程间通信、信号描述 struct list_head ptraced // 调试用 utime
stime // 进程时间相关
  • TASK_RUNNING具体是就绪还是执行,要看系统当前的资源分配情况;
  • TASK_ZOMBIE也叫僵尸进程


二、进程的创建

1.进程的创建概览及fork一个进程的用户态代码

道生一(start_kernel....cpu_idle),一生二(kernel_init和kthreadd),二生三(即前面0、1和2三个进程),三生万物(1号进程是所有用户态进程的祖先,0号进程是所有内核线程的祖先),新内核的核心代码已经优化的相当干净,都符合中国传统文化精神了

0号进程,是代码写死的,1号进程复制0号进程PCB,再修改,再加载可执行程序。

系统调用进程创建过程:



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。

进程的父子关系直观图:

2.分析内核处理过程

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。

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

#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 */pid=0时 if和else都会执行 fork系统调用在父进程和子进程各返回一次
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");
}
}

创建新进程的框架do_fork:dup_thread复制父进程的PCB

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;
p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
}

copy_process:进程创建的关键,修改复制的PCB以适应子进程的特点,也就是子进程的初始化

  • 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。
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
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
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
if (nr_threads >= max_threads)
goto bad_fork_cleanup_count;
// 初始化自旋锁,挂起信号,定时器
retval = sched_fork(clone_flags, p);
// 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)) {
//同一线程组内的所有线程、进程共享父进程
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父进程
p->real_parent = current;
p->parent_exec_id = current->self_exec_id;
}

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。

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。
int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
struct task_struct *tsk;
int err;
// 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;
} // 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 = *current_pt_regs();
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;//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
task_user_gs(p) = get_user_gs(current_pt_regs()); return err;
}
#ifdef CONFIG_SMP //条件编译,多处理器会用到
struct llist_node wake_entry;
int on_cpu;
struct task_struct *last_wakee;
unsigned long wakee_flips;
unsigned long wakee_flip_decay_ts;
int wake_cpu;
#endif
int on_rq;
int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority; //与优先级相关
const struct sched_class *sched_class;
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt; ……
struct list_head tasks; //进程链表
#ifdef CONFIG_SMP
struct plist_node pushable_tasks;
struct rb_node pushable_dl_tasks;
#endif

3.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;

  • Linux通过复制父进程来创建一个新进程,那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架:

    • 复制一个PCB——task_struct

      $ err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);  //在这个函数复制父进程的数据结构
    • 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;  //复制内核堆栈

  $ 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、进程链表等等都要改

- 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,父进程从系统调用中返回比较容易理解,子进程从系统调用中返回。那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢?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

$ 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

```


三、实践部分

1.准备工作:

rm menu -rf

git clone http://github.com/mengning/menu.git # 更新Menu

cd menu

mv test_fork.c test.c # 把test.c覆盖掉

make rootfs

2.运行内核,可以看到fork命令

3.启动gdb调试,并对主要的函数设置断点

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

4.在copy_thread函数中单步执行,可看到,内核空间压栈地址被初始化

struct pt_regs *childregs =task_pt_regs(p) ——>内核空间压栈地址被初始化

5.调度到子进程时的内核栈顶

p->thread.sp=(unsigned long)childregs时调度到子进程的内核栈顶

childregs=current_pt_regs()->复制内核堆栈,当前内核堆栈寄存器中的值复制到子进程中

childregs->ax=0 ->子进程fork返回0原因

p->thread.ip=(unsigned long )ret_from_fork ->设置子进程调度起点,调度到子进程时的第一条指令地址

6.打印进程信息的ret_from_fork

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、小结

  • 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。不论是使用 fork 还是 vfork 来创建进程,最终都是通过 do_fork() 方法来实现的。PS: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

  • fork创建的新的子进程是从ret_from_fork开始执行的,然后跳转到syscall_exit,从系统调用中返回。

  • Linux中的线程,又是一种特殊的进程。

  • 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

  • 新进程如何开始的关键:

copy_thread()中:

p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

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。

在设置子进程的ip之前:

p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶

*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。

LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述与创建的更多相关文章

  1. LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述和进程的创建

    LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述和进程的创建 张忻(原创作品转载请注明出处) <Linux内核分析>MOOC课程http://mooc.study.163.com/cours ...

  2. linux内核分析第六周学习笔记

    LINUX内核分析第六周学习总结 标签(空格分隔): 20135328陈都 陈都 原创作品转载请注明出处 <Linux内核分析>MOOC课程 http://mooc.study.163.c ...

  3. Linux内核分析第六周学习笔记——分析Linux内核创建一个新进程的过程

    Linux内核分析第六周学习笔记--分析Linux内核创建一个新进程的过程 zl + <Linux内核分析>MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/U ...

  4. LINUX内核分析第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程

    LINUX内核分析第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程 张忻(原创作品转载请注明出处) <Linux内核分析>MOOC课程http://mooc.study.163.com/c ...

  5. 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 ...

  6. Linux内核分析——第六周学习笔记20135308

    第六周 进程的描述和进程的创建 一.进程描述符task_struct数据结构 1.操作系统三大功能 进程管理 内存管理 文件系统 2.进程控制块PCB——task_struct 也叫进程描述符,为了管 ...

  7. Linux内核分析——第六周学习笔记

    进程的描述和进程的创建 前言:以下笔记除了一些讲解视频中的概念记录,图示.图示中的补充文字.总结.分析.小结部分均是个人理解.如有错误观点,请多指教! PS.实验操作会在提交到MOOC网站的博客中写.

  8. LINUX内核分析第七周学习总结——可执行程序的装载

    LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述和进程的创建 张忻(原创作品转载请注明出处) <Linux内核分析>MOOC课程http://mooc.study.163.com/cours ...

  9. LINUX内核分析第七周学习总结:可执行程序的装载

    LINUX内核分析第七周学习总结:可执行程序的装载 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/cours ...

随机推荐

  1. 【转】handbrake使用教程

           原文地址http://tieba.baidu.com/p/2399590151?pn=1         现在的很多压制教程基本都是使用megui或者mediacoder的,这两个软件使 ...

  2. 团队Alpha博客链接目录

    Dipper团队Alpha博客链接目录 团队Alpha冲刺博客 第一次冲刺 第二次冲刺 第三次冲刺 第四次冲刺 第五次冲刺 第六次冲刺 第七次冲刺 第八次冲刺 第九次冲刺 第十次冲刺 第十一次冲刺 第 ...

  3. 2019年京东Java研发岗社招面经(面试经历+真题总结+经验分享)!

    本篇先以日历形式回顾秋招之路,方便各位参考某厂的处理进度:然后是总结归纳春秋招Java面试题库:最后做个总结还有展望,开始新的征程~ 面试经历京东面试真题面试经验分享1.面试经历 2018年的冬季特别 ...

  4. 【BZOJ2159】Crash的文明世界

    [2011集训贾志鹏]Crash的文明世界 Description Crash小朋友最近迷上了一款游戏--文明5(Civilization V).在这个游戏中,玩家可以建立和发展自己的国家,通过外交和 ...

  5. centos7下安装docker(9容器对资源的使用限制-内存)

                  一个docker Host上面会运行若干容器,每个容器都需要CPU,内存和IO资源.容器提供了控制分配多少CPU,内存给每个容器的机制,避免摸个容器因占用太多资源而影响其他 ...

  6. linux系统自签发免费ssl证书,为nginx生成自签名ssl证书

    首先执行如下命令生成一个key openssl genrsa -des3 -out ssl.key 1024 然后他会要求你输入这个key文件的密码.不推荐输入.因为以后要给nginx使用.每次rel ...

  7. kubernetes statefulset kafka 部署后, 外部访问超时问题解决

    k8s 内部的kafka要映射到外网,直接把 kafka 通过 expose 把pod 映射成服务,使用nodeport 连接,出现超时问题, 解决思路: 1.  查看zk中,kafka的注册信息,P ...

  8. ROS 订阅图像节点(1)

    博客 http://blog.csdn.net/github_30605157/article/details/50990493 参考ROS原网站 http://wiki.ros.org/image_ ...

  9. 转载 AutoFac常见用法总结

    第二节:框架前期准备篇之AutoFac常见用法总结   一. 说在前面的话 凡是大约工作在两年以上的朋友们,或多或少都会接触到一些框架搭建方面的知识,只要一谈到框架搭建这个问题或者最佳用法这个问题,势 ...

  10. JavaScript高级程序设计学习(三)之变量、作用域和内存问题

    这次讲的主要是变量,作用域和内存问题. 任何一门编程语言,都涉及这三个. 变量,比如全局变量,局部变量等,作用域,也分全局作用域和方法作用域,内存问题,在java中就涉及到一个垃圾回收的问题,由于ja ...