20135202闫佳歆--week6 进程的描述与创建--学习笔记

此为个人学习笔记存档！

week 6 进程的描述与创建

一、进程的描述

1.进程控制块task_struct

以下内容来自视频课件，存档在此。

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

逐条分析如下节：

2.进程描述符task_struct数据结构

• 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
  

• 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，为什么呢？
  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。
  

  • 创建新进程后实际的状态是TASK_RUNNING，就绪但是没有运行，调度器选择一个task之后进入运行态，也叫TASK_RUNNING。
  • 当进程是TASK_RUNNING时，代表这个进程是可运行的，至于它有没有真的在运行，取决于它有没有获得cpu的控制权，即有没有在cpu上实际的运行。
  • 一个正在进行的进程调用do_exit()，进入TASK_ZOMBIE，进程被终止，“僵尸进程”。
  • 等待特定时间或者资源的时候，进入阻塞态，如果条件满足就进入就绪态，被选择后进入运行态。
    

• 进程的标示pid

   pid_t pid;
   pid_t tgid; //用来标识进程的。
  

• 所有进程链表struct list_head tasks
  为了对给定类型的进程进行有效的搜索，内核维护了几个进程链表：
  
  

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

复习：

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

怎样创建一个子进程？
——fork系统调用

#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) 
    {
        /* 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");
    }
}

fork系统调用在父进程和子进程各返回一次。
关于fork和进程创建在上学期的课程中已经学习过，在此不作赘述。

2.理解进程创建过程复杂代码的方法

复习：

系统调用，见前几周博客：
第四周学习笔记——系统调用（上）
第五周学习笔记——系统调用（下）

调用fork的过程：
父进程如下：

子进程呢？fork出来的子进程是从哪儿开始执行的？
用户态空间——fork的下一句
fork出的子进程在内核中返回。
内核空间？是从那一句开始执行的？
——与基于mykernel的精简内核对照起来，想象出一个框架。

以下来自课件：

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：

  1. 复制一个PCB——task_struct

      err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
     

  2. 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
     

  3. 要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等，见copy_process内部。

• 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
  

系统调用内核处理函数sys_fork,sys_vfrok,sys_clone，其实最终执行的都是do_fork。

do_fork里有：

copy_process
里面有：
dup_task_struct // 复制pcb
alloc_thread_info_node  // 创建了一个页面，其实就是实际分配内核堆栈空间的效果。
setup_thread_stack  // 把thread_info的东西复制过来

然后是大量的修改内容，将子进程初始化。

※copy_thread 
copy_thread时都做了什么？
堆栈相关的一些内容
当前进程（父进程）的内核堆栈的栈底拷贝过来
赋值ip，sp……

3.创建的新进程是从哪里开始执行的

*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

ip指向的是ret_from_fork，所以是从这里开始执行的。
复制内核堆栈的时候是复制的pt_regs，即只复制了SAVE_ALL相关的那一部分，即系统调用压栈的那一部分。
pt_regs里面内容有：

Entry(ret_from_fork)：
最终会跳转到syscall_exit，这之前的内核堆栈状态和syscall_call的一致，然后返回用户态，变成子进程的用户态。

4.使用gdb跟踪创建新进程的过程

在MenuOs中新加了fork的命令。
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

执行fork，可以看到父进程子进程都输出了信息。

下面进行gdb调试：

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

gdb

file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234

// 设置断点
b sys_clone # 因为fork实际上是执行的clone
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_fork

c
n
……

可以看到一系列相关函数：

tsk->stack = ti;    //把内核堆栈的地址赋给它

//把内核堆栈压栈的空间地址找到，初始化
sturct pt_regs *childregs = task_pg_regs(p);    

//把当前进程的内核堆栈的压的寄存器赋值到子进程中来。
*childregs = *current_pt_regs();  
childregs->ax = 0;      

//设置子进程被调度的ip，即子进程的起点
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;

jmp syscall_exit;   //这之后就跟踪不到了。