分析Linux内核创建一个新进程的过程
2016-04-02 本文已影响0人
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曹朋辉
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《Linux内核分析》MOOC课程
内核里操作系统的三大功能：
内存管理
进程管理
文件系统
其中最核心的是进程管理
进程描述符task_struct数据结构
进程控制块PCB——task_struct
为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。
struct task_struct数据结构很庞大
Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，为什么呢？
进程的标示pid
所有进程链表struct list_head tasks;
内核的双向循环链表的实现方法 - 一个更简略的双向循环链表
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。进程描述符中有几个域用来表示这样的关系
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
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，那为什么PCB中没有用户态堆栈？用户态堆栈是怎么设定的？
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
struct thread_struct thread; //CPU-specific state of this task
文件系统和文件描述符
内存管理——进程的地址空间
task_struct数据结构1235-1644
task_struct数据结构总览
linux进程状态转换图
struct task_struct {
1236 volatile long state; 运行状态/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
1237 void *stack; 进程的内核堆栈
1238 atomic_t usage;
1239 unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
1240 unsigned int ptrace;
#ifdef CONFIG_SMP 多处理器时会用到
1243 struct llist_node wake_entry;
1244 int on_cpu;
1245 struct task_struct *last_wakee;
1246 unsigned long wakee_flips;
1247 unsigned long wakee_flip_decay_ts;
1248
1249 int wake_cpu;
1250#endif
//下面一段和优先级，调度相关
1251 int on_rq;
1252
1253 int prio, static_prio, normal_prio;
1254 unsigned int rt_priority;
1255 const struct sched_class *sched_class;
1256 struct sched_entity se;
1257 struct sched_rt_entity rt;
1258#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
1259 struct task_group *sched_task_group;
1260#endif
1261 struct sched_dl_entity dl;
1295 struct list_head tasks; 进程链表
1296#ifdef CONFIG_SMP
1297 struct plist_node pushable_tasks;
1298 struct rb_node pushable_dl_tasks;
1299#endif
1300
1301 struct mm_struct *mm, *active_mm; 内存管理进程的地址空间相关
1302#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
1303 unsigned brk_randomized:1;
1304#endif
1305 /* per-thread vma caching */
1306 u32 vmacache_seqnum;
1307 struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE];
1308#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
1309 struct task_rss_stat rss_stat;
1310#endif
/* Revert to default priority/policy when forking */
1325 unsigned sched_reset_on_fork:1;
1326 unsigned sched_contributes_to_load:1;
1327
1328 unsigned long atomic_flags; /* Flags needing atomic access. */
1329
1330 pid_t pid; 进程的pid
1331 pid_t tgid;
1332
1333#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
1334 /* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
1335 unsigned long stack_canary;
1336#endif
//下面一段为进程的父子关系
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
1343 struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
1344 /*
1345 * children/sibling forms the list of my natural children
1346 */
1347 struct list_head children; /* list of my children */
1348 struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */
1349 struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */
1350
1351 /*
1352 * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
1353 * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
1354 * p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
1355 */
1356 struct list_head ptraced; 调试用的
1357 struct list_head ptrace_entry;
1358
1359 /* PID/PID hash table linkage. */
1360 struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; pid的哈希表 可以方便查找
1361 struct list_head thread_group;
1362 struct list_head thread_node;
1363
一下一段为时间相关的数据结构
cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
1369 cputime_t gtime;
1370#ifndef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_NATIVE
1371 struct cputime prev_cputime;
1372#endif
1373#ifdef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_GEN
1374 seqlock_t vtime_seqlock;
1375 unsigned long long vtime_snap;
1376 enum {
1377 VTIME_SLEEPING = 0,
1378 VTIME_USER,
1379 VTIME_SYS,
1380 } vtime_snap_whence;
1381#endif
1382 unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
1383 u64 start_time; /* monotonic time in nsec */
1384 u64 real_start_time; /* boot based time in nsec */
1385/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
1386 unsigned long min_flt, maj_flt;
1387
1388 struct task_cputime cputime_expires;
1389 struct list_head cpu_timers[3];
1390
/* process credentials */
1392 const struct cred __rcu *real_cred; /* objective and real subjective task
1393 * credentials (COW) */
1394 const struct cred __rcu *cred; /* effective (overridable) subjective task
1395 * credentials (COW) */
1396 char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
1397 - access with [gs]et_task_comm (which lock
1398 it with task_lock())
1399 - initialized normally by setup_new_exec */
1400/* file system info */
1401 int link_count, total_link_count;
1402#ifdef CONFIG_SYSVIPC
1403/* ipc stuff */
1404 struct sysv_sem sysvsem;
1405 struct sysv_shm sysvshm;
1406#endif
1407#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
1408/* hung task detection */
1409 unsigned long last_switch_count;
1410#endif
1411/* CPU-specific state of this task */
1412 struct thread_struct thread; 和当前任务cpu相关的一些状态，与之前my_kernelvs中自己定义的PCB相似，在进程切换时起着关键作用
1413/* filesystem information */
1414 struct fs_struct *fs; 文件系统
1415/* open file information */
1416 struct files_struct *files; 打开的文件描述符列表
1417/* namespaces */
1418 struct nsproxy *nsproxy;
1419/* signal handlers */
1420 struct signal_struct *signal; 信号处理相关
1421 struct sighand_struct *sighand;
1422
1423 sigset_t blocked, real_blocked;
1424 sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
1425 struct sigpending pending;
fork一个子进程的代码
#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)
{
/* 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");
}
}
创****建一个新进程在内核中的执行过程
fork、vfork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，而且都是通过调用do_fork来实现进程的创建；
Linux通过复制父进程来创建一个新进程，那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架：
复制一个PCB——task_struct
err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
要给新进程分配一个新的内核堆栈
tsk->stack = ti;
setup_thread_stack(tsk, orig); //这里只是复制thread_info，而非复制内核堆栈
要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等都要改改吧，见copy_process内部。
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，父进程从系统调用中返回比较容易理解，子进程从系统调用中返回，那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢？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
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
创建进程的大致框架
复制父进程的PCB
修改复制的PCB
分配一个新的内核堆栈
copy原来的内核堆栈
创建进程调用do_fork
do_fork中用copy_process包含创建一个进程的主要代码
