2018-2019-1 20189213《Linux内核原理与分析》第七周作业
进程的描述和进程的创建
1.课本基础知识汇总
操作系统内核实现操作系统的三大管理功能：即进程管理、内存管理、文件系统。
对进程的描述：
在操作系统原理中，通过进程控制块PCB描述进程；
在Linux内核中，通过一个数据结构struct task_struct来描述进程。
对进程状态的描述:
在操作系统原理中，进程有就绪态、运行态和阻塞态；
在Linux内核中，就绪态和运行态都是相同的TASK_RUNNING状态,另外再加上一个阻塞态；当进程是TASK_RUNNING状态时，它是可运行的，也就是就绪态，是否在运行取决于它有没有获得CPU的控制权，也就是说这个进程有没有在CPU中实际执行。如果在CPU中实际执行了，进程状态就是运行态；如果被内核调度出去了，在等待队列里就是就绪态。
对于一个正在运行的进程，调用用户态库函数exit()会陷入内核执行该内核函数do_exit()，进程会进入TASK_ZOMBIE状态，即进程的终止状态。TASK_ZOMBIE状态的进程一般叫做僵尸进程，Linux内核会在适当的时候把僵尸进程给处理掉，之后释放进程描述符。一个正在运行的进程在等待特定事件或资源时会进入阻塞态，阻塞态也分为两种：TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE。前者可以被信号和wake_up()唤醒，而后者只能被wake_up()唤醒。
进程的创建
Linux中创建进程一共有三个函数：
- fork，创建子进程；
- vfork，与fork类似，但是父子进程共享地址空间，而且子进程先于父进程运行；
- clone，主要用于创建线程。
进程创建的相关主要代码：
通过上面的代码可以看出，fork、vfork和clone这3个系统调用和kernel_thread内核函数都可以创建一个新进程，而且都是通过do_fork函数来创建进程的，只不过传递的参数不同。
do_fork函数的参数：
clone_flags：子进程创建相关标志，通过此标志可以对父进程的资源进行有选择的复制。
stack_start：子进程用户态堆栈的地址。
regs：指向pt_regs结构体的指针。当发生系统调用时，int指令和SAVE_ALL保存现场等会将CPU寄存器中的值按顺序压入内核栈。为了便于访问操作，这部分数据被定义为pt_regs结构体。
stack_size：用户态栈的大小，通常不必要，设置为0。
parent_tidptr和child_tidptr：父进程、子进程用户态下的pid地址。
进程创建中的几个关键函数：
do_fork()：创建进程。
copy_process()：创建进程内容（调用dup_task_struct、信息检查、初始化、更改进程状态、复制其他进程资源、调用copy_thread初始化子进程内核栈、设置子进程pid等）。
dup_task_struct()：复制当前进程（父进程）描述符task_struct，分配子进程内核栈。
copy_thread()：内核栈关键信息初始化。
实验：分析Linux内核创建一个新进程的过程
本实验主要用来跟踪分析进程创建的完整过程，首先我们在MenuOS里增加一个命令fork：
然后MenuOS正常运行，发现里面也多了fork命令，我们执行fork命令：
下面我们使用gdb来进行跟踪调试：
由于fork指令实际上执行的就是sys_clone，所以我们可以在sys_clone、do_fork、dup_task_struct、copy_process、copy_thread、ret_from_fork等处各设置断点：
然后开始执行，发现只输出了一个命令描述，后面并没有执行，而是停在了sys_clone这里：
再继续执行，停在copy_process：
再继续执行，停在dup_task_struct函数，进入dup_task_struct内部，将当前进程内核压栈压得那一部分寄存器复制到子进程中，以及赋值子进程的起点。
问题
为什么在创建子进程的时候，直接拷贝父进程的堆栈信息到子进程中？
答：为了返回时是一致的状态。
子进程退出时是否发生进程切换呢？
答：在syscall_exit中会调用syscall_exit_work函数。然后调用resume_userspace的时候就有可能会发生进程切换。
使用fork系统调用创建进程时，是否是先打印父进程后打印子进程？
答：父子进程的执行顺序和相应的调度算法密切相关，执行时执行顺序是不确定的。
总结
进程是通过进程控制块PCB来进行描述的，而内核要描述进程的结构，我们也称其为进程描述符，下图是进程描述符的结构示意图：
实际上，用户空间的寄存器、用户态堆栈等信息在切换到内核态的上下文时保存在内核栈中，父进程在内核态（dup_task_struct）复制出子进程，但子进程作为一个独立的进程，之后被调度运行时必须有一个指令地址，进程切换时，ip地址及当前内核栈的位置esp都存在于thread_info中，由copy_thread设置其thread.ip指向ret_from_fork作为子进程执行的第一条语句，并完成了内核态到用户态的切换。
