20169203《Linux内核原理与分析》第八周作业

本周的实验是分析Linux内核创建一个新进程的过程
开始先介绍了进程的描述,Linux中对一个进程的描述主要是通过进程描述符来进行描述的,进程描述符用来描述进程的数据结构，可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识（PID）等，都被封装在了进程描述符这个数据结构中，该数据结构被定义为task_struct
对于进程的状态如下图

本次试验主要是对如下程序中fork()函数创建新进程的具体过程的分析

#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");
    }
}

对于fork()函数创建新进程的大致流程为:

//fork
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
    return do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL);
#else
    /* can not support in nommu mode */
    return -EINVAL;
#endif
}
#endif

//vfork
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_VFORK
SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0,
            0, NULL, NULL);
}
#endif

//clone
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
#ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
         int __user *, parent_tidptr,
         int, tls_val,
         int __user *, child_tidptr)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
         int __user *, parent_tidptr,
         int __user *, child_tidptr,
         int, tls_val)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
        int, stack_size,
        int __user *, parent_tidptr,
        int __user *, child_tidptr,
        int, tls_val)
#else
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
         int __user *, parent_tidptr,
         int __user *, child_tidptr,
         int, tls_val)
#endif
{
    return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}
#endif

通过上面代码可以看出,不论是不论是使用 fork ,clone还是 vfork 来创建进程，最终都是通过 do_fork() 方法来实现的。对于do_fork()代码如下:

long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{
        //创建进程描述符指针
        struct task_struct *p;

        //……

        //复制进程描述符，copy_process()的返回值是一个 task_struct 指针。
        p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);

        if (!IS_ERR(p)) {
            struct completion vfork;
            struct pid *pid;

            trace_sched_process_fork(current, p);

            //得到新创建的进程描述符中的pid
            pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
            nr = pid_vnr(pid);

            if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
                put_user(nr, parent_tidptr);

            //如果调用的 vfork()方法，初始化 vfork 完成处理信息。
            if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
                p->vfork_done = &vfork;
                init_completion(&vfork);
                get_task_struct(p);
            }

            //将子进程加入到调度器中，为其分配 CPU，准备执行
            wake_up_new_task(p);

            //fork 完成，子进程即将开始运行
            if (unlikely(trace))
                ptrace_event_pid(trace, pid);

            //如果是 vfork，将父进程加入至等待队列，等待子进程完成
            if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
                if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
                    ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
            }

            put_pid(pid);
        } else {
            nr = PTR_ERR(p);
        }
        return nr;
}

对于do_fork()主要是通过copy_process()来复制父亲进程描述符,并且将子进程加入到调度器中，为其分配 CPU，准备执行,下面分析下copy_process()

static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
                    unsigned long stack_start,
                    unsigned long stack_size,
                    int __user *child_tidptr,
                    struct pid *pid,
                    int trace)
{
    int retval;

    //创建进程描述符指针
    struct task_struct *p;

    //……

    //复制当前的 task_struct
    p = dup_task_struct(current);

    //……

    //初始化互斥变量   
    rt_mutex_init_task(p);

    //检查进程数是否超过限制，由操作系统定义
    if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
            task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
        if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
            !capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
            goto bad_fork_free;
    }

    //……

    //检查进程数是否超过 max_threads 由内存大小决定
    if (nr_threads >= max_threads)
        goto bad_fork_cleanup_count;

    //……

    //初始化自旋锁
    spin_lock_init(&p->alloc_lock);
    //初始化挂起信号
    init_sigpending(&p->pending);
    //初始化 CPU 定时器
    posix_cpu_timers_init(p);


    //……

    //初始化进程数据结构，并把进程状态设置为 TASK_RUNNING
    retval = sched_fork(clone_flags, p);

    //复制所有进程信息，包括文件系统、信号处理函数、信号、内存管理等
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_policy;

    retval = perf_event_init_task(p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_policy;
    retval = audit_alloc(p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_perf;
    /* copy all the process information */
    shm_init_task(p);
    retval = copy_semundo(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_audit;
    retval = copy_files(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_semundo;
    retval = copy_fs(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_files;
    retval = copy_sighand(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_fs;
    retval = copy_signal(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_sighand;
    retval = copy_mm(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_signal;
    retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
    if (retval)
        goto bad_fork_cleanup_mm;
    retval = copy_io(clone_flags, p);

    //初始化子进程内核栈
    retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);

    //为新进程分配新的 pid
    if (pid != &init_struct_pid) {
        retval = -ENOMEM;
        pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
        if (!pid)
            goto bad_fork_cleanup_io;
    }

    //设置子进程 pid 
    p->pid = pid_nr(pid);


    //……


    //返回结构体 p
    return p;

其大体的流程为1.调用 dup_task_struct() 复制当前的 task_struct 2.检查进程数是否超过限制 3.初始化自旋锁、挂起信号、CPU 定时器等 4.调用 sched_fork() 初始化进程数据结构，并把进程状态设置为 TASK_RUNNING 5.复制所有进程信息，包括文件系统、信号处理函数、信号、内存管理等 6.调用 copy_thread() 初始化子进程内核栈 7.为新进程分配并设置新的 pid
对于dup_task_struct()函数主要是通过调用alloc_task_struct_node分配一个 task_struct 节点,调用alloc_thread_info_node分配一个 thread_info 节点，其实是分配了一个thread_union联合体,将栈底返回给 ti,对于sched_fork()主要就是将子进程状态设置为 TASK_RUNNING并且为其分配 CPU,对于copy_thread()的代码如下:

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
    unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
    //获取寄存器信息
    struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
    struct task_struct *tsk;
    int err;

    p->thread.sp = (unsigned long) childregs;
    p->thread.sp0 = (unsigned long) (childregs+1);
    memset(p->thread.ptrace_bps, 0, sizeof(p->thread.ptrace_bps));

    if (unlikely(p->flags & PF_KTHREAD)) {
        //内核线程
        memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
        p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_kernel_thread;
        task_user_gs(p) = __KERNEL_STACK_CANARY;
        childregs->ds = __USER_DS;
        childregs->es = __USER_DS;
        childregs->fs = __KERNEL_PERCPU;
        childregs->bx = sp; /* function */
        childregs->bp = arg;
        childregs->orig_ax = -1;
        childregs->cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
        childregs->flags = X86_EFLAGS_IF | X86_EFLAGS_FIXED;
        p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
        return 0;
    }

    //将当前寄存器信息复制给子进程
    *childregs = *current_pt_regs();

    //子进程 eax 置 0，因此fork 在子进程返回0
    childregs->ax = 0;
    if (sp)
        childregs->sp = sp;

    //子进程ip 设置为ret_from_fork，因此子进程从ret_from_fork开始执行
    p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;

    //……

    return err;
}

在此函数中主要是初始化新进程的内核堆栈其中有一点就是把eax置0所以fork()的返回值是0,还有就是将子进程ip 设置为ret_from_fork，因此子进程从ret_from_fork开始执行
至此对于fork()函数的调用过程大体就清楚了,对于实验部分实验楼无法连接外网不能clone新版本的menu,在自己的虚拟机上进行试验安装MenuOS时出现如下错误不能解决

对于本周课程的学习，我了解了Linux中对于时间的概念，并知道了墙上时钟与计算机的正常运行时间如何管理并且详细了解了Linux的时钟中断，时钟中断是由系统的定时硬件以周期性的时间间隔产生,这个间隔(即频率)由内核根据HZ来确定,HZ是一个与体系结构无关的常量(定义在),可配置(50-1200),在X86平台,默认值为1000.HZ的含义是系统每秒钟产生的时钟中断的次数.每当时钟中断发生时,全局变量jiffies(一个32位的unsigned long 变量,定义在)就加1,因此jiffies记录了字linux系统启动后时钟中断发生的次数.驱动程序常利用jiffies来计算不同事件间的时间间隔。
对于Linux的内存管理知道了Linux对于内存的管理是基于页单位来进行的分页机制将整个线性地址空间及整个物理内存看成由许多大小相同的存储块组成的，并把这些块作为页（虚拟空间分页后每个单位称为页）或页帧（物理内存分页后每个单位称为页帧）进行管理。不考虑内存访问权限时，线性地址空间的任何一页，理论上可以映射为物理地址空间中的任何一个页帧。最常见的分页方式是以 4KB 单位划分页，并且保证页地址边界对齐，即每一页的起始地址都应被4K整除。在4KB的页单位下，32位机的整个虚拟空间就被划分成了 2^20 个页。因为虚拟地址是按页全部被映射到相同大小的页帧，并且页面边界对齐，因此虚拟地址的后12位可以直接作为物理地址的低12位使用。执行程序时，操作系统会创建一个执行该程序的进程，然后装载程序或程序片段等，然后开始顺序执行代码段。在这个过程中，操作系统总的来说做三件事情：（1） 为进程创建一个独立的虚拟地址空间（范围）（2） 读取程序可执行文件文件头，并且建立虚拟空间与可执行文件中的代码段、数据段的逻辑地址的映射关系
（3） 将 CPU 的指令寄存器设置成可执行文件的入口地址，启动运行