分析Linux内核创建一个新进程的过程

实验过程

要求：使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数sys_clone ，验证对Linux系统创建一个新进程的理解,推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。

cd LinuxKernel

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

课程内容

阅读理解task_struct数据结构:

进程控制块PCB——task_struct

1、操作系统的三大管理功能包括：

　　（1）进程管理

　　（2）内存管理

　　（3）文件系统

2、PCB task_struct中包含：

　　（1）进程状态

　　（2）进程打开的文件

　　（3）进程优先级信息

3、通过唯一的进程标识PID来区别每个进程。

4、进程状态转化

（1）创建新进程后实际的状态是TASK_RUNNING，就绪但是没有运行，调度器选择一个task之后进入运行态，也叫TASK_RUNNING。

（2）当进程是TASK_RUNNING时，代表这个进程是可运行的，至于它有没有真的在运行，取决于它有没有获得cpu的控制权，即有没有在cpu上实际的运行。

（3）一个正在进行的进程调用do_exit()，进入TASK_ZOMBIE，进程被终止，“僵尸进程”。

（4）等待特定时间或者资源的时候，进入阻塞态，如果条件满足就进入就绪态，被选择后进入运行态。

5、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

}

Linux系统如何创建一个新进程：

使用fork系统调用可以创建一个进程，fork之后可以调用exec接口用来执行新进程的代码。

fork函数对应的内核处理过程sys_clone。

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。

分析新进程的执行起点及对应的堆栈状态：

创建的新进程的执行起点:ret_from_fork

对应的堆栈状态:

*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

ip指向的是ret_from_fork，所以是从这里开始执行的。

复制内核堆栈的时候是复制的pt_regs，即只复制了SAVE_ALL相关的那一部分，即系统调用压栈的那一部分。

pt_regs里面内容有：

Entry(ret_from_fork)：

最终会跳转到syscall_exit，这之前的内核堆栈状态和syscall_call的一致，然后返回用户态，变成子进程的用户态。

总结部分

对“Linux系统创建一个新进程”的理解：

在Linux系统中，使用fork系统调用可以创建一个进程。fork()系统调用从内核返回两次：一次回到父进程，另一次回到新产生的子进程。它实际上是由clone()系统调用实现的。

可以通过fork，复制一个已有的进程，进而产生一个子进程，新进程几乎但不完全与父进程相同。子进程得到和父进程用户级虚拟地址空间相同的一份拷贝，包 括代码段，数据段和bss段，堆以及用户栈。子进程还获得和父进程任何打开文件描述符相同的拷贝，最大的区别就是在于他们拥有不同的PID.

注：林涵锦 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000