分析Linux内核创建一个新进程的过程

task_struct结构体分析

struct task_struct{
volatile long state;  //进程的状态
unsigned long flags; //调用fork时候给出的进程号
long nice; //进程的基本时间片
unsigned long policy; //进程的调度策略
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
unsigned long sleep_time; //进程的睡眠时间
struct task_struct *next_task, *prev_task; //用于将系统中所有的进程连接成一个双向循环链表
pid_t pid;//进程标识符,用来代表一个进程
    pid_t pgrp;//进程组标识,表示进程所属的进程组
    pid_t tty_old_pgrp;//进程控制终端所在的组标识
    pid_t session;//进程的会话标识
    pid_t tgid;
    struct list_head thread_group; //线程链表
    struct task_struct *pidhash_next;//用于将进程链入HASH表pidhash
    struct task_struct **pidhash_pprev;
    wait_queue_head_t wait_chldexit; //供wait4()使用
    struct completion *vfork_done; // 供vfork() 使用
    unsigned long rt_priority;//实时优先级
    struct fs_struct *fs; //文件系统信息
    struct files_struct *files; //打开文件信息
    }

do_fork()函数分析

• 不管是clone、fork还是vfork系统调用，他们的实现函数sys_clone、sys_fork和sys_vfork都指向了位于/kernel/Fork.c中的do_fork函数，唯一的不同就是clone_flags的不同。所以我们重在分析do_fork函数
• do_fork函数调用copy_process函数，然后让进程开始运行。
• do_fork步骤：
  • 查找pidmap_array位图，为子进程分配新的PID
  • 检查父进程ptrace字段，若其不为0，而且紫禁城不是内核线程，则do_fork()函数就会设置CLONE_PTRACE标志
  • 调用函数copy_process()，从而将复制进程描述符。如果所有必要的资源都是可用的，则copy_process()返回刚创建的task_struct描述符的地址。copy_process的具体步骤:
  • 检查参数clone_flags所传递标志的一致性
  • 通过调用security_task_create(clone_flags)函数以及security_task_alloc(p)函数执行安全检查
  • 调用dup_task_struct(current)函数来为子进程获得进程描述符
    • dup_task_struct函数将当前进程所获取的thread_info结构复制给子进程的thread_info结构中。
    • 执行alloc_task_struct()，用分配器task_struct_cachep为新进程获取进程描述符，并将进程描述符的地址保存在tsk中。
    • 执行alloc_thread_info来获取一片空的内存空间，用来存放新进程的thread_info和内核堆栈，并将这些内存区域字段的地址存放在变量ti中。
    • 将current进程描述符的内容复制到tsk所指向的task_struct结构体之中，然后把ti赋给tsk->thread_info，让心建立的tsk指向的task_struct和orig指向父进程的task_struct中的每个值，即将父进程的所有内容都复制给新的进程之中。
    • 把current进程的thread_info描述符的内容复制给ti所指向的结构体之中，将tsk赋给ti->task
    • 返回新进程的进程描述符指针tsk
  • 设置子进程与进程状态相关的几个关键字段：
    • 把大内核锁计数器tsk->lock_depth初始化为-1。
  • 把tsk->did_exec字段初始化为0：它记录了进程发出的execve()系统调用的次数。
  • 通过copy_flags函数更新从父进程复制到tsk->flags字段中的一些标志：首先清除PF_SUPERPRIV标志，该标志表示进程是否使用了某种超级用户权限。然后设置PF_FORKNOEXEC标志，它表示子进程还没有发出execve()系统调用。
  • 将新进程的PID存入tsk_pid字段
  • 调用copy_semundo、copy_files、copy_fs、copy_sighand、copy_signal、copy_mm和copy_namespace来创建新的数据结构，并把父进程的相应数据结构的值复制到新数据结构中，除非clone_flags参数指出它们有不同的值。
  • 调用copy_thread(0, clone_flags, stack_start, stack_size, p, regs)，用发出clone()系统调用时CPU寄存器的值来初始化子进程的内核栈。进程描述符的thread.esp字段初始化为子进程内核栈的基地址，汇编语言函数ret_from_fork()的地址存放在thread.eip字段中。
  • 调用sched_fork(p)完成对新进程调度程序数据结构的初始化。
  • 如果已经设置了CLONE_STOPPED标志，那么子进程的状态会被设置成了终止状态。在另一个进程把子进程状态恢复成TASK_RUNNING之前，一直保持该状态。
  • 如果没有设置ClONE_STOPPED标志，则调用wake_up_new_task函数来调节父进程与子进程的调用顺序。
  • 终止并返回子进程描述符指针。
• 在do_fork()结束之后，在内存开始调用子进程的时候，将会继续完善子进程，即将子进程描述符thread字段的值装入各CPU寄存器之中。尤其需要注意的是，需要把thread.esp装入esp寄存器，把函数ret_from_fork()的地址装入eip寄存器中。

实验内容

• 设置断点

  

• 调用do_fork

  

• 调用copy_process

  

• 调用dup_task_struct

  

• 细节步骤

  

总结

* dup_task_struct中为其分配了新的堆栈
* 调用了sched_fork，将其置为TASK_RUNNING
* copy_thread中将父进程的寄存器上下文复制给子进程，保证了父子进程的堆栈信息是一致的
* 将ret_from_fork的地址设置为eip寄存器的值
* 最终子进程从ret_from_fork开始执行。

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