Linux内核分析---进程的创建，执行与切换
学号：210
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一.实验要求
从整理上理解进程创建、可执行文件的加载和进程执行进程切换，重点理解分析fork、execve和进程切换。
二.实验内容
1.理解task_struct数据结构
为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述。每个进程在内核中都有一个进程控制块(PCB)来维护进程相关的信息,Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。进程描述符提供了内核所需了解的进程信息：基本信息，管理信息，控制信息等。
task_struct是Linux内核的一种数据结构，每个进程都把它的信息放在 task_struct 这个数据结构体，task_struct 包含了这些内容：
(1)标示符 ： 描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
(2)状态 ：任务状态，退出代码，退出信号等。
(3)优先级 ：相对于其他进程的优先级。
(4)程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
(5)内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针。
(6)上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。
(7) I／O状态信息：包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。
(8) 记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
2.分析fork函数对应的内核处理过程do_fork，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构
Linux系统中，除第一个进程是被捏造出来的，其他进程都是通过do_fork()复制出来的。
函数原型：int do_fork(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start,struct pt_regs *regs, unsigned long stack_size)
1.创建子进程task_struct结构体
首先需要申请进程最基本的单位task_struct结构，然后需要将父进程task_struct结构中的各种参数复制到子进程task_struct中。
2.获取一个空闲的pid。
3.复制各种资源：copy_files(clone_flags, p)父进程中可能打开了一系列文件，因此要复制给子进程。copy_fs(clone_flags, p)，复制父进程当前目录环境，如当前文件系统。复制父进程的用户空间。copy_thread()等。
3.使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数do_fork
1.启动Menu OS
cd LinuxKernel rm menu -rf git clone https://github.com/mengning/menu.git cd menu mv test_fork.c test.c
make rootfs
2.进入gdb调试模式
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
在这几个地方设置断点
b sys_clone
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_for
首先在sys_clone处
do_fork处
copy_process处
进入copy_thread
查看p值
4.理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式
1.链接过程
预处理：主要是做一些代码文本的替换工作。(该替换是一个递归逐层展开的过程。)
（1）将所有的#define删除，并展开所有的宏定义
（2）处理所有的条件预编译指令，如：#if #ifdef #elif #else #endif
（3）处理#include预编译指令，将被包含的文件插进到该指令的位置，这个过程是递归的
（4）删除所有的注释//与/* */
（5）添加行号与文件名标识，以便产生调试用的行号信息以及编译错误或警告时能够显示行号
（6）保留所有的#pragma编译器指令，因为编译器需要使用它们
编译：把预处理完的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后生成汇编代码，这个过程是程序构建的核心部分。
汇编：将汇编代码转成机器指令。
链接：此时的链接，严格说应该叫静态链接。将多个目标文件、库拼合成最终的可执行文件。
5.使用exec*库函数加载一个可执行文件
exec()族函数功能是将当前的进程替换成一个新的进程，执行到exec()函数时当前进程就会结束新进程则开始执行。
process.c代码
运行结果：
6.理解Linux系统中进程调度的时机
1.中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()；
2.内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；
3.用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。
7.特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系
1.关键函数的调用关系:
schedule() --> context_switch() --> switch_to --> __switch_to()
2.代码分析
asm volatile("pushfl\n\t" /* 保存当前进程的标志位 */
"pushl %%ebp\n\t" /* 保存当前进程的堆栈基址EBP */
"movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* 保存当前栈顶ESP */
"movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换，从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。 */
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* 保存当前进程的EIP */
"pushl %[next_ip]\n\t" /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈 */
__switch_canary
"jmp __switch_to\n" /* 因为是函数所以是jmp，通过寄存器传递参数，寄存器是prev-a，next-d，当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip，所以需要使用之前压栈的eip，就是pop出next_ip。 */
"1:\t" /* 认为next进程开始执行。 */
"popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */
"popfl\n" /* restore flags */
/* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中
prev_sp是内核堆栈栈顶
prev_ip是当前进程的eip */
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]是标号
"=a" (last),
/* clobbered output registers: */
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
"=S" (esi), "=D" (edi)
__switch_canary_oparam
/* input parameters:
next_sp下一个进程的内核堆栈的栈顶
next_ip下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork*/
: [next_sp] "m" (next->thread.sp),
[next_ip] "m" (next->thread.ip),
/* regparm parameters for __switch_to(): */
[prev] "a" (prev),
[next] "d" (next)
__switch_canary_iparam
: /* reloaded segment registers */
"memory");
} while (0)
内核在switch_to中执行如下操作：
1.进程切换, 即esp的切换, 由于从esp可以找到进程的描述符
2.硬件上下文切换, 设置ip寄存器的值, 并jmp到__switch_to函数
3.堆栈的切换, 即ebp的切换, ebp是栈底指针, 它确定了当前用户空间属于哪个进程
通过系统调用，用户空间的应用程序就会进入内核空间，由内核代表该进程运行于内核空间，这就涉及到上下文的切换，用户空间和内核空间具有不同的地址映射，通用或专用的寄存器组，而用户空间的进程要传递很多变量、参数给内核，内核也要保存用户进程的一些寄存器、变量等，以便系统调用结束后回到用户空间继续执行，所谓的进程上下文，就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。
