2019-2020-1 20199312《Linux内核原理与分析》第七周作业

进程的描述

• 操作系统内核实现操作系统的三大管理功能

  • 进程管理（内核中最核心的功能）
  • 内存管理
  • 文件系统

• 在操作系统中，我们通过进程控制块PCB描述进程。

• 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。

• 用数据结构struct task_struct 来描述进程（涉及内容过于庞杂）

• 进程描述符的示意图
  

• Linux内核管理的进程状态转换图
  

• 开始实验，更新menu

• 对重要sys_clone等处各设置断点

(gdb)b sys_clone
(gdb)b do_fork
(gdb)b copy_process
(gdb)b dup_task_struct
(gdb)b copy_thread
(gdb)b ret_from_fork

• 断点常用命令合集
  
• 开始调试
  
  
  
  

do_fork函数

long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;

    // ...
    
    // 复制进程描述符，返回创建的task_struct的指针
    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);

        // 取出task结构体内的pid
        pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr = pid_vnr(pid);

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

        // 如果使用的是vfork，那么必须采用某种完成机制，确保父进程后运行
        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
            get_task_struct(p);
        }

        // 将子进程添加到调度器的队列，使得子进程有机会获得CPU
        wake_up_new_task(p);

        // ...

        // 如果设置了 CLONE_VFORK 则将父进程插入等待队列，并挂起父进程直到子进程释放自己的内存空间
        // 保证子进程优先于父进程运行
        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;
}

调用copy_process，将当期进程复制一份出来为子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。初始化vfork的完成处理信息（如果是vfork调用）调用wake_up_new_task，将子进程放入调度器的队列中，此时的子进程就可以被调度进程选中，得以运行。

• copy_process的部分代码：

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;
    struct task_struct *p;
    ...
    retval = security_task_create(clone_flags);//安全性检查
    ...
    p = dup_task_struct(current);   //复制PCB,为子进程创建内核栈、进程描述符
    ftrace_graph_init_task(p);
    ···
    
    retval = -EAGAIN;
    // 检查该用户的进程数是否超过限制
    if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
            task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
        // 检查该用户是否具有相关权限，不一定是root
        if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
            !capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
            goto bad_fork_free;
    }
    ...
    // 检查进程数量是否超过 max_threads，后者取决于内存的大小
    if (nr_threads >= max_threads)
        goto bad_fork_cleanup_count;

    if (!try_module_get(task_thread_info(p)->exec_domain->module))
        goto bad_fork_cleanup_count;
    ...
    spin_lock_init(&p->alloc_lock);          //初始化自旋锁
    init_sigpending(&p->pending);           //初始化挂起信号 
    posix_cpu_timers_init(p);               //初始化CPU定时器
    ···
    retval = sched_fork(clone_flags, p);  //初始化新进程调度程序数据结构，把新进程的状态设置为TASK_RUNNING,并禁止内核抢占
    ...
    // 复制所有的进程信息
    shm_init_task(p);
    retval = copy_semundo(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_files(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_fs(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_sighand(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_signal(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_mm(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_io(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);// 初始化子进程内核栈
    ...
    //若传进来的pid指针和全局结构体变量init_struct_pid的地址不相同，就要为子进程分配新的pid
    if (pid != &init_struct_pid) {
        retval = -ENOMEM;
        pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
        if (!pid)
            goto bad_fork_cleanup_io;
    }

    ...
    p->pid = pid_nr(pid);    //根据pid结构体中获得进程pid
    //若 clone_flags 包含 CLONE_THREAD标志，说明子进程和父进程在同一个线程组
    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->exit_signal = -1;
        p->group_leader = current->group_leader; //线程组的leader设为子进程的组leader
        p->tgid = current->tgid;       //子进程继承父进程的tgid
    } else {
        if (clone_flags & CLONE_PARENT)
            p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
        else
            p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
        p->group_leader = p;          //子进程的组leader就是它自己
        
       
        p->tgid = p->pid;        //组号tgid是它自己的pid
    }

    ...
    
    if (likely(p->pid)) {
        ptrace_init_task(p, (clone_flags & CLONE_PTRACE) || trace);

        init_task_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
        if (thread_group_leader(p)) {
            ...
            // 将子进程加入它所在组的哈希链表中
            attach_pid(p, PIDTYPE_PGID);
            attach_pid(p, PIDTYPE_SID);
            __this_cpu_inc(process_counts);
        } else {
            ...
        }
        attach_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr_threads++;     //增加系统中的进程数目
    }
    ...
    return p;             //返回被创建的子进程描述符指针P
    ...
}

创建进程描述符以及子进程所需要的其他所有数据结构，为子进程准备运行环境。调用dup_task_struct复制一份task_struct结构体，作为子进程的进程描述符。复制所有的进程信息。调用copy_thread，设置子进程的堆栈信息，为子进程分配一个pid。

• dup_task_struct的代码：

static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
    struct task_struct *tsk;
    struct thread_info *ti;
    int node = tsk_fork_get_node(orig);
    int err;

    // 分配一个task_struct结点
    tsk = alloc_task_struct_node(node);
    if (!tsk)
        return NULL;

    // 分配一个thread_info结点，其实内部分配了一个union，包含进程的内核栈
    // 此时ti的值为栈底，在x86下为union的高地址处。
    ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
    if (!ti)
        goto free_tsk;

    err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
    if (err)
        goto free_ti;

    // 将栈底的值赋给新结点的stack
    tsk->stack = ti;
    
    ...

    /*
     * One for us, one for whoever does the "release_task()" (usually
     * parent)
     */
    // 将进程描述符的使用计数器置为2
    atomic_set(&tsk->usage, 2);
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
    tsk->btrace_seq = 0;
#endif
    tsk->splice_pipe = NULL;
    tsk->task_frag.page = NULL;

    account_kernel_stack(ti, 1);

    // 返回新申请的结点
    return tsk;

free_ti:
    free_thread_info(ti);
free_tsk:
    free_task_struct(tsk);
    return NULL;
}

先调用alloc_task_struct_node分配一个task_struct结构体。调用alloc_thread_info_node，分配了一个union。这里分配了一个thread_info结构体，还分配了一个stack数组。返回值为ti，实际上就是栈底。tsk->stack = ti将栈底的地址赋给task的stack变量。最后为子进程分配了内核栈空间。执行完dup_task_struct之后，子进程和父进程的task结构体，除了stack指针之外，完全相同

总结

进程的创建过程大致是复制进程描述符、一一复制其他进程资源（采用分时复制技术）、分配子进程的内核堆栈并对内核堆栈关键信息进行初始化。