Linux第六周学习总结——进程额管理和进程的创建
Linux第六周学习总结——进程额管理和进程的创建
作者：刘浩晨
【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
操作系统内核三大功能：进程管理（核心）、内存管理和文件系统。
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进程控制快PCB——进程描述符task_struct数据结构
进程状态（五种状态）转化：
注意：就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，具体是就绪还是执行要看系统当前的资源分配情况。
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进程标识符PID
进程标识符pid_t pid唯一地标识进程 -
所有进程链表struct list_ head tasks;
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。 -
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。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。
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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。
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struct thread_ struct thread; //与当前任务CPU状态相关，对进程上下文切换有关键性作用
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struct mm_struct *mm, *active_mm; //内存管理进程的地址空间
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struct files_struct *files; //打开文件描述符列表
二、 进程的创建
1. 进程的创建概览及fork一个进程的源代码
进程的起源回顾：
start_ kernel创建了cpu_ idle，即0号进程。0号进程又创建了两个线程，一个是kernel_ init，即1号进程，这个进程最终启动了用户态；另一个是kthreadd。0号进程是固定的代码，1号进程是通过复制0号进程PCB之后在此基础上做修改得到的。
2.fork代码
#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 */
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");
}
}
3. 系统调用回顾
- 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。
4.创建一个新进程在内核中的执行过程
fork、vork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，都通过调用do_fork()实现进程创建。
Linux通过复制父进程创建新进程：
• 复制一个PCB——task_struct
err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
• 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
• 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。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，并不是全部，只是regs结构体（内核堆栈栈底的程序）
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，也就是说返回的就是子进程的空间了
5.创建的新进程从哪里开始执行？
一个新创建的子进程，获得CPU之后，从哪一行代码进程执行：
• 与之前写过的my_ kernel相比较，kernel中是可以指定新进程开始的位置（也就是通过eip寄存器指定代码行）。fork中也有相似的机制
• 这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copy_ thread in copy_ process设定的
*childregs = *current_pt_regs(); //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->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，也就是说返回的就是子进程的空间了
三、 实验——分析Linux内核创建一个新进程的过程
1.更新menu内核，删除test_fork.c以及test.cc，并重新执行make rootfs
2.比原先多出fork命令，编译内核查看：
3.启动gdb跟踪调试内核，在一些重要函数处设置断点：
4.在MenuOS中执行fork，停在父进程中。继续执行后，停在do_fork的位置：
5.n命令进行单步执行，依次进入copy_process、dup_task_struct。此时父进程的PCB（task_struct数据结构）已经复制过来。s命令进入函数，可以看到dst = src：
6.copy_thread函数中，把task_pg_regs(p)也就是内核堆栈特定的地址找到并初始化
7.当前进程的内核堆栈寄存器中的值复制到子进程中
8.164行：p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //确定返回地址
9.当程序跳转到syscall_exit，就不能再继续gdb跟踪调试，输入finish使得进程运行完。
总结：
1.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。
2.Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构。
3.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。
4.fork()函数被调用一次，但返回两次。
