"Linux内核分析"第六周实验报告

张文俊 + 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

1、进程的描述

进程控制块PCB——task_struct

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（即task_struct）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

• 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

• 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

父子进程关系管理：

 

这是CPU状态，在进程上下文切换的过程中，起到关键作用：

2、进程的创建

进程的创建概览和fork一个进程的用户态代码

 

以fork一个子进程的代码为例：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. int main(int argc, char * argv[])
5. {
6.     int pid;
7.     /* fork another process */
8.     pid = fork();
9.     if (pid < 0) 
10.     { 
11.         /* error occurred */
12.         fprintf(stderr,"Fork Failed!");
13.         exit(-1);
14.     } 
15.     else if (pid == 0) 
16.     {
17.         /* child process */
18.         printf("This is Child Process!\n");
19.     } 
20.     else 
21.     { 
22.         /* parent process  */
23.         printf("This is Parent Process!\n");
24.         /* parent will wait for the child to complete*/
25.         wait(NULL);
26.         printf("Child Complete!\n");
27.     }
28. }

可用fork系统调用在父进程和子进程各返回一次。在fork之后，这段代码实际上就变成了两个进程。

理解进程创建过程复杂代码的方法

系统调用回顾：

 

 

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

  1. err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

• 要给新进程分配一个新的内核堆栈

  1. ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
  2. tsk->stack = ti;
  3. 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改吧，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

1. *childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
2. childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！
3. p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
4. p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

 浏览进程创建过程相关的关键代码

以上为复制数据结构部分代码，dup_task_struct。这段代码相对简单，就是将src其中内容赋值给dst。

以上为alloc调用，它功能就是生成了两个页面。

重点还是看copy_thread的功能，pt_regs获取了pid指向的堆栈内信息，比如栈底等内容。

这是父进程对已有堆栈数据的copy，拷贝内核堆栈数据和指定新进程的第一条指令地址。

因为子进程的返回值为0，所以copy时还需要修改一下内核栈内压入的。

 子进程是从哪里开始执行的？

子进程是从这个位置开始执行的，就是fork返回值被得到的时候。

对pt_regs内容进行查看，可以看到其中包含int指令和SAVE_ALL压到内核栈的内容。只复制了i32的相关内容。

从entry_32中，可以找到ret_from_fork的函数代码部分。

会跳到syscall_exit部分继续执行。正常返回到用户态。

使用gdb跟踪创建新进程的过程

 如果用实验楼环境，首先需要rm menu -rf 删除原先menu 然后clone一份新的。

然后进入menu后，mv test_fork.c test.c，把test.c覆盖掉。

然后make rootfs，编译出来。

可以发现fork被进入到menu里。

然后使用gdb调试，使用-s -S。

然后设置断点：b sys_clone 和 b do_fork 和 b dup_task_struct 和 b copy_process 和 b copy_thread 和 b ret_from_fork

然后进行n单步调试。

可以看到子进程执行的起点。

3、总结

linux 系统创建进程都是用 fork() 系统调用创建子进程。

由 fork() 系统调用创建的新进程被称为子进程。

该函数被调用一次，但返回两次。

如果 fork(）进程调用成功，两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程号。