《Linux内核原理与分析》第七周作业

课本：第六章 进程的描述和进程的创建

• 操作系统内核实现操作系统的三大管理功能
  • 进程管理
  • 内存管理
  • 文件系统
• 在操作系统原理中，通过进程控制块PCB描述进程；在Linux内核中，通过一个数据结构struct task_struct来描述进程。
• 在操作系统原理中，进程有就绪态、运行态和阻塞态；在Linux内核中，就绪态和运行态都是相同的TASK_RUNNING状态另加上一个阻塞态。在Linux内核中，当进程是TASK_RUNNING状态时，它是可运行的，就是就绪态，是否在运行取决于它有没有获得CPU的控制权。
• 对于一个正在运行的进程，调用用户态库函数exit()会陷入内核执行该内核函数do_exit()，进程会进入TASK_ZOMBIE状态，即中止状态，Linux内核会在适当的时候把该进程处理掉，后释放进程描述符。一个正在运行的进程在等待特定事件或资源时会进入阻塞态，阻塞态分为两种：TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE。前者可以被信号和wake_up()唤醒，后者只能被wake_up()唤醒。进程状态转换图如下图所示：
  
• 在进程描述符中用pid和tgid标识进程。
• 在进程的创建时，0号进程init_task的初始化是通过硬编码方式固定下来的，除此之外，所有其他进程的初始化都是通过do_fork复制父进程的方式初始化的。
• Linux内核中，数据结构struct thread_struct用来保存进程上下文中CPU相关的一些状态信息，其内部最关键的是sp和ip，在x86-32位系统中，sp用来保存进程上下文中的ESP寄存器状态，ip用来保存进程上下文中的EIP寄存器状态。
• fork系统调用把当前进程又复制了一个子进程，也就一个进程变成了两个进程，两个进程执行相同的代码，只是fork系统调用在父进程和子进程中的返回值不同。
• fork、vfork和clone这三个系统调用和kernel_thread内核函数都可以创建一个新进程，而且都是通过do_fork函数来创建进程的，只不过传递的参数不同。
• do_fork函数的参数：
  • clone_flags：子进程创建相关标志，通过此标志可以对父进程的资源进行有选择的复制。
  • stack_start：子进程用户态堆栈的地址。
  • regs：指向pt_regs结构体的指针。当发生系统调用时，int指令和SAVE_ALL保存现场等会将CPU寄存器中的值按顺序压入内核栈。为了便于访问操作，这部分数据被定义为pt_regs结构体。
  • stack_size：用户态栈的大小，通常不必要，设置为0。
  • parent_tidptr和child_tidptr：父进程、子进程用户态下的pid地址。
• 进程的创建中几个关键函数：
  • do_fork()：创建进程
  • copy_process()：创建进程内容（调用dup_task_struct、信息检查、初始化、更改进程状态、复制其他进程资源、调用copy_thread初始化子进程内核栈、设置子进程pid等）
  • dup_task_struct()：复制当前进程（父进程）描述符task_struct，分配子进程内核栈
  • copy_thread()：内核栈关键信息初始化

实验：分析Linux内核创建一个新进程的过程

本次实验的主要目的是使用gdb跟踪创建一个新进程的过程，我们首先将fork命令加入到menuOS中，如下图所示：

先执行以下fork指令，指令可以正常运行，如下图所示：

下面设置几个断点，fork指令实际上执行的就是sys_clone，我们可以在sys_clone、do_fork、dup_task_struct、copy_process、copy_thread、ret_from_fork处设置断点，如下图所示：

下面是部分调试执行步骤：

代码分析

task_struct(部分)

struct task_struct {
	volatile long state;	/*进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;             /*堆栈*/
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;
        ...
}

由于task_struct数据结构比较复杂，我们可以从以下示意图来大致了解其结构：

do_fork(关键代码部分)

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;//创建进程描述符指针
	int trace = 0;
	long nr;//子进程pid

        ...

	p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
			 child_tidptr, NULL, trace);//创建子进程的描述符和执行时所需的其他数据结构

	if (!IS_ERR(p)) {//如果copy_process执行成功
		struct completion vfork;//定义完成量
		struct pid *pid;
                ...
		pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);//获得task结构体中的pid
		nr = pid_vnr(pid);//根据pid结构体中获得进程pid
                ...
                //如果clone_flags包含CLONE_VFORK标志，就将完成量vfork赋值给进程描述符中的vfork_done字段，此处只是对完成量进行初始化
		if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
			p->vfork_done = &vfork;
			init_completion(&vfork);
			get_task_struct(p);
		}

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

		/* forking complete and child started to run, tell ptracer */
                ...
                //如果clone_flags包含CLONE_VFORK标志，就将父进程插入等待队列直到子进程调用exec函数或退出，此处是具体的阻塞
		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);//错误处理
	}
	return nr;//返回子进程pid（父进程fork函数返回值为子进程pid原因）
}

do_fork()函数主要完成了调用copy_process()复制父进程信息、获得pid、调用wake_up_new_task将子进程加入调度器队列等待获得分配CPU资源运行、通过clone_flags标志做一些辅助工作，其中copy_process()是创建一个进程内容的主要代码。

copy_process(太长，就主要分析一下其过程)
调用dup_task_struct复制当前进程（父进程）描述符task_struct、信息检查、初始化、更改进程状态为TASK_RUNNING(就绪态)、复制其他进程资源、调用copy_thread初始化子进程内核栈、设置子进程pid等。

dup_task_struct(关键代码部分)

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;

	tsk = alloc_task_struct_node(node);//为子进程创建进程描述符分配存储空间
        ...
	ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);//创建了两个页，一部分存放thread_info，一部分就是内核堆栈
        ...
	err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);//复制父进程的task_struct信息
        ...
	tsk->stack = ti;//将栈底的值赋给新结点的stack
        ...
        //对子进程的thread_info初始化（复制父进程thread_info，然后将task指针指向子进程的进程描述符）
	setup_thread_stack(tsk, orig);
        ...
	return tsk;//返回新创建的进程描述符指针
        ...
}

copy_thread(关键代码)

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
	unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
	struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
	struct task_struct *tsk;
	int err;

	p->thread.sp = (unsigned long) childregs;
	p->thread.sp0 = (unsigned long) (childregs+1);
	memset(p->thread.ptrace_bps, 0, sizeof(p->thread.ptrace_bps));

	if (unlikely(p->flags & PF_KTHREAD)) {
		/* kernel thread */
		memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
                //如果创建的是内核线程，则从ret_from_kernel_thread开始执行
		p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_kernel_thread;
		task_user_gs(p) = __KERNEL_STACK_CANARY;
		childregs->ds = __USER_DS;
		childregs->es = __USER_DS;
		childregs->fs = __KERNEL_PERCPU;
		childregs->bx = sp;	/* function */
		childregs->bp = arg;
		childregs->orig_ax = -1;
		childregs->cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
		childregs->flags = X86_EFLAGS_IF | X86_EFLAGS_FIXED;
		p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
		return 0;
	}

        //复制内核堆栈（复制父进程的寄存器信息，即系统调用int指令和SAVE_ALL压栈的那一部分内容）
	*childregs = *current_pt_regs();
	childregs->ax = 0;//将子进程的eax置0，所以fork的子进程返回值为0
        ...
        //ip指向ret_from_fork，子进程从此处开始执行
	p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
	task_user_gs(p) = get_user_gs(current_pt_regs());
        ...
	return err;
}

总结及问题

fork系统调用在我们实际的编码运用中看似执行的非常简单，实际上其过程涉及到多个调用函数和进行复杂的执行过程，想要完全理解起来是很困难的，望在今后的运用中可以慢慢理解。
在编写一个简单的fork运用时使用如下代码进行验证fork创建子进程：

在运行时发现有时先打印父进程的输出信息，有时则先打印子进程的输出信息，如下图所示：

在查阅课本后了解到父子进程的执行顺序和调度算法密切相关，执行顺序是不确定的。