《庖丁解牛》第六章书本知识总结
- 操作系统内个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。分别对应《操作系统原理》中最重要的3个抽象概念是进程、虚拟内存和文件。
- Linux中的进程描述符
struct task_struct就是PCB进程控制块。 - Linux内核管理的进程状态转换图
- 进程描述符
struct task_struct记录了当前进程的父进程real_parent、parent。 - 双向链表
struct list_head children记录当前进程的子进程。 - 双向链表
struct list_head sibling记录当前进程的兄弟进程。 fork系统调用创建了一个子进程，子进程复制了父进程中所有的进程信息，包括内核堆栈、进程描述符等，子进程作为一个独立的进程也会被调度。fork、vfork、clone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。- fork一个子进程的过程中，复制父进程的资源时采用了Copy On Write（写时复制）技术，不需要修改进程资源，父子进程是共享内存存储空间的。
do_fork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。
do_fork代码：
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;
}
copy_process函数主要完成课调用dup_task_struct复制当前进程（父进程）描述符task_struct、信息检查、初始化、把进程状态设置为TASK_RUNNING（此时子进程置为就绪态）、采用写时复制技术逐一复制所有其他进程资源、调用copy_thread初始化子进程内核栈、设置子进程pid等。
copy_process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
...
}
clone, fork, vfork区别与联系
系统调用服务例程sys_clone, sys_fork, sys_vfork三者最终都是调用do_fork函数完成。
do_fork的参数与clone系统调用的参数类似，不过多了一个regs(内核栈保存的用户模式寄存器).，实际上其他的参数也都是用regs取的。
- 具体实现的参数不同
- clone:
clone的API外衣, 把fn, arg压入用户栈中, 然后引发系统调用. 返回用户模式后下一条指令就是fn.
sysclone: parent_tidptr, child_tidptr都传到了 do_fork的参数中
sysclone: 检查是否有新的栈, 如果没有就用父进程的栈 (开始地址就是regs.esp)- fork, vfork:
服务例程就是直接调用do_fork, 不过参数稍加修改
clone_flags:
sys_fork: SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
sys_vfork: CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
用户栈: 都是父进程的栈.
parent_tidptr, child_ctidptr都是NULL.
实验：分析Linux内核创建一个新进程的过程
本次实验中使用的
fork命令是用sys_clone系统调用实现的，因此断点设置在sys_clone。
本次实验通过实践，调试应按照以下顺序进行。
- 配置好menuos，使用
fork命令
- 先设置sys_clone断点
- 运行到sys_clone后，设置其它断点`
- 进入do_fork函数
- 在do_fork函数中会调用copy_process
- 在copy_process中调用dup_task_struct
- 在copy_process中调用copy_thread
- 子进程ret
实验过程流程图
