20169217 《Linux内核原理与分析》 第八周作业

  此次作业仍然分为两个部分，第一部分为实验。

  实验要求：

   1. 阅读理解task_struct数据结构。
   2. 分析fork函数对应的内核处理过程sys_clone，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构。
   3.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。

  实验内容：

   1.理解task_struct数据结构。

  操作系统内核里面有操作系统所谓的三大功能，就是进程管理，内存管理和文件系统。但这里面最核心的就是进程管理，也就是在linux里面我们有一个数据结构task_struct。为了管理进程，内核要描述进程的这个东西，我们也称它为进程描述符。它提供了进程所需要了解的信息。

 

  进程状态变化图为：

     我们来分析一下进程的变化，操作系统中的进程状态有就绪态、运行态、阻塞态三大状态，实际的，内核管理的进程状态是不一样的。我们来看一下为什么不一样，你看我们在linux进程状态的转换图，我们使用fork来创建一个新进程的时候，实际它的状态是就绪，但是没有在运行。当调度器选择到新创建的进程的时候它就切换到运行态，也是TASK_RUNNING。两个状态都是相同的，也就是说，当进程是TASK_RUNNING状态的时候，它是可运行的，有没有在运行呢，这个取决于它有没有获得CPU的控制权。也就是说这个进程有没有在CPU上实际的执行。如果在CPU上实际的执行就是运行态，如果被调度出去了，在那等待着就是就绪态。所以这个和在操作系统原理中有点不一样。一个正在运行的进程，我们调用do_exit，也就是终止，就会进入TASK_ZOMBIE，也就是进程的终止状态，那么系统会把进程给处理掉。这是就绪态和运行态。我们看一个正在运行的进程，它在等待特定的事件或资源的时候就会进入阻塞态。

 

   2.分析fork函数对应的内核处理过程sys_clone，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构。

   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，函数在/linux-3.18.6/kernel/fork.c中，代码如下：

1623long do_fork(unsigned long clone_flags,
1624          unsigned long stack_start,
1625          unsigned long stack_size,
1626          int __user *parent_tidptr,
1627          int __user *child_tidptr)
1628{
1629    struct task_struct *p;
1630    int trace = 0;
1631    long nr;
1632
1633    /*
1634     * Determine whether and which event to report to ptracer.  When
1635     * called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly
1636     * requested, no event is reported; otherwise, report if the event
1637     * for the type of forking is enabled.
1638     */
1639    if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
1640        if (clone_flags & CLONE_VFORK)
1641            trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
1642        else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)
1643            trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
1644        else
1645            trace = PTRACE_EVENT_FORK;
1646
1647        if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
1648            trace = 0;
1649    }
1650
1651    p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
1652             child_tidptr, NULL, trace);
1653    /*
1654     * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
1655     * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
1656     */
1657    if (!IS_ERR(p)) {
1658        struct completion vfork;
1659        struct pid *pid;
1660
1661        trace_sched_process_fork(current, p);
1662
1663        pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
1664        nr = pid_vnr(pid);
1665
1666        if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
1667            put_user(nr, parent_tidptr);
1668
1669        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
1670            p->vfork_done = &vfork;
1671            init_completion(&vfork);
1672            get_task_struct(p);
1673        }
1674
1675        wake_up_new_task(p);
1676
1677        /* forking complete and child started to run, tell ptracer */
1678        if (unlikely(trace))
1679            ptrace_event_pid(trace, pid);
1680
1681        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
1682            if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
1683                ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
1684        }
1685
1686        put_pid(pid);
1687    } else {
1688        nr = PTR_ERR(p);
1689    }
1690    return nr;
1691}

 先定义一个task_sturct结构指针，再用copy_process函数复制一个进程,故真正的复制过程在copy_process函数中,该函数主要执行内容为：

struct task_struct *p; retval = security_task_create(clone_flags);

p = dup_task_struct(current); retval = sched_fork(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_io(clone_flags, p); 
retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);

linux-3.18.6/arch/x86/kernel/process_32.c的copy_thread函数中

p->thread.sp = (unsigned long) childregs;  
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;   
childregs->ax = 0;     //fork子进程返回为0

决定了子进程从系统调用中返回后的执行.ret_from_fork决定了新进程的第一条指令地址。p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;将子进程的ip设置为ret_from_fork的首地址，子进程从ret_from_fork开始执行

三、使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数sys_clone ，验证您对Linux系统创建一个新进程的理解

rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git

cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs


qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux    加载调试用的符号表
target remote:1234

设置断点：

b sys_clone
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_fork

 

总结：

Linux系统创建一个新进程：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。do_fork函数主要是调用copy_process函数来创建进程。copy_process函数调用 dup_task_struct 复制当前的 task_struct；调用sched_fork 初始化进程数据结构，并把进程状态设置为 TASK_RUNNING；复制父进程的所有信息，包括copy_files，copy_fs，copy_mm，copy_io等；调用 copy_thread 初始化子进程内核栈；为新进程分配并设置新的 pid,修改进程链表等。dup_task_struct 函数主要是复制一个PCB——task_struct和给新进程分配一个新的内核堆栈。copy_thread函数主要是调度到子进程时的内核栈顶；将子进程的ip设置为ret_from_fork的首地址，子进程从ret_from_fork开始执行；复制内核堆栈；子进程的fork返回0。