结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程
一、以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
1.fork系统调用
一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork（）函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。一个进程调用fork（）函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。do_fork的代码如下：
long _do_fork(struct kernel_clone_args *args) { u64 clone_flags = args->flags; struct completion vfork; struct pid *pid; struct task_struct *p; int trace = 0; long nr; /* * Determine whether and which event to report to ptracer. When * called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly * requested, no event is reported; otherwise, report if the event * for the type of forking is enabled. */ if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) { if (clone_flags & CLONE_VFORK) trace = PTRACE_EVENT_VFORK; else if (args->exit_signal != SIGCHLD) trace = PTRACE_EVENT_CLONE; else trace = PTRACE_EVENT_FORK; if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace))) trace = 0; } p = copy_process(NULL, trace, NUMA_NO_NODE, args); add_latent_entropy(); if (IS_ERR(p)) return PTR_ERR(p); /* * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer * might get invalid after that point, if the thread exits quickly. */ trace_sched_process_fork(current, p); pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID); nr = pid_vnr(pid); if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID) put_user(nr, args->parent_tid); if (clone_flags & CLONE_VFORK) { p->vfork_done = &vfork; init_completion(&vfork); get_task_struct(p); } wake_up_new_task(p); /* forking complete and child started to run, tell ptracer */ if (unlikely(trace)) ptrace_event_pid(trace, pid); if (clone_flags & CLONE_VFORK) { if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork)) ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid); } put_pid(pid); return nr; }
do_fork函数主要完成了调用copy_process复制父进程、获得pid、调用wake_up_new_task将子进程加入就绪队列等待调度执行等。我们知道，在Linux中，除了0号进程由手工创建外，其他进程都是通过复制已有进程创建而来，而这正是fork的主要工作，具体的任务交由copy_process完成。
copy_process函数主要完成了调用dup_task_struct复制当前进程（父进程）描述符task_struct、信息检查、初始化、把进程状态设置为TASK_RUNNING（此时⼦进程置为就绪态）、采⽤写时复制技术逐⼀复制所有其他进程资源、调⽤copy_thread_tls初始化子进程内核栈、设置子进程pid等。其中copy_thread_tls所做的工作是关键。我们知道执行fork系统调用之后，会由内核态返回两次：一次返回到父进程，这与一般的系统调用返回流程别无二致；而另一次则返回到子进程，为了实现这一点，就需要为子进程构造出合适的执行上下文，也就是初始化其内核栈和进程描述符的thread字段。这正是copy_thread_tls的任务。
⽗进程通过fork系统调⽤进⼊内核_do_fork函数，复制进程描述符及相关进程资源（采⽤写时复制技术）、分配⼦进程的内核堆栈并对内核堆栈和thread等进程关键上下⽂进⾏初始化，最后将⼦进程放⼊就绪队列，fork系统调⽤返回；⽽⼦进程则在被调度执⾏时根据设置的内核堆栈和thread等进程关键上下⽂开始执⾏。
二、分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
中断分硬件中断和软件中断，fork和execve系统调用都是利用陷阱（trap）这种软件中断方式主动从用户态进入内核态的execve系统调用的作用是运行另外一个指定的程序。它会把新程序加载到当前进程的内存空间内，当前的进程会被丢弃，它的堆、栈和所有的段数据都会被新进程相应的部分代替，然后会从新程序的初始化代码和 main 函数开始运行。同时，进程的 ID 将保持不变。execve系统调用通常与 fork系统调用配合使用。从一个进程中启动另一个程序时，通常是先fork一个子进程，然后在子进程中使用 execve变为运行指定程序的进程。我们在shell中输入ls等命令时就触发了execve系统调用，调用关系为：sys_execve() -> do_execve() -> do_execveat_common() -> do_execve_file -> exec_binprm() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary() -> start_thread()。
其中，上下文切换的特殊之处主要发生在调用exec_binprm后。search_binary_handler会寻找符合文件格式对应的解析模块，然后装入elf映像，之后要做的就是放弃以前从父进程继承来的资源。主要是对信号处理表，用户空间和文件3大资源的处理。
三、分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
fork系统调用将创建一个与父进程几乎一样的新进程，之后继续执行下面的指令。程序可以根据 fork() 的返回值，确定当前处于父进程中，还是子进程中——在父进程中，返回值为新创建子进程的进程 ID，在子进程中，返回值是0，其中代码do_fork函数已经展示，而fork系统调用特殊之处在于其创建了一个新的进程，并且在父子进程中各有一次返回。对于fork的父进程来说，fork系统调用和普通的系统调用基本相同。但是对fork子进程来说，需要设置子进程的进程上下文环境，这样子进程才能从fork系统调用后返回。
而对于execve而言，由于execve使得新加载可执⾏程序已经覆盖了原来⽗进程的上下⽂环境，而原来的中断上下文就是保存的是原来的、被覆盖的进程的上下文，因此需要修改原来的中断上下文，使得系统调用返回后能够指向现在加载的这个可执行程序的入口。
四、以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程
1、正在运行的用户态进程X
2、发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
3、SAVE_ALL //保存现场
4、中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
5、标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
6、restore_all //恢复现场
7、iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
8、继续运行用户态进程Y
