201920201 20199320《Linux内核原理与分析》第七周作业

一、进程的描述

1. 操作系统内核实现操作系统的三大管理功能：进程管理，内核管理和文件系统，其中最核心的功能是进程管理。

2. 在操作系统原理中，我们通过进程控制块PCB描述进程，通常采用一个数据结构struct task_struct来描述进程，该结构体大致分为以下几个部分：

   • 进程状态（State）

   • 进程调度信息（Scheduling Information）

   • 各种标识符（Identifiers）

   • 进程通信有关信息（IPC：Inter_Process Communication）

   • 时间和定时器信息（Times and Timers）

   • 进程链接信息（Links）

   • 文件系统信息（File System）

   • 虚拟内存信息（Virtual Memory）

   • 页面管理信息（page）

   • 对称多处理器（SMP）信息

   • 和处理器相关的环境（上下文）信息（Processor Specific Context）

     下面分析一下其中的进程状态：

     Linux内核管理的进程状态转换如下图所示：
     

二、实验内容：分析Linux内核创建一个新进程的过程

1. 在MenuOS中增加fork命令，具体命令和实现效果截图如下图所示：

   

2. 打开另一个终端，进行gdb跟踪， 对sys_clone，do_fork，dup_task_struct，copy_process，copy_thread和ret_from_fork设置断点 ，实现效果如图所示：

   

   • 运行后首先停在sys_clone处 ：

   

   • 然后是do_fork,之后是copy_process:
     

   • 进入copy_thread:
     

   • 在copy_thread中,我们可以查看p的值 ：
     

   • 但是回到copy_process后再查看,将得到一个value optimized out的提示,这是因为Linux内核打开gcc的-O2选项优化导致.如果想要关掉,可以参考:这里
     

   • ret_from_fork按照之前的分析被调用,跟踪到syscall_exit后无法继续.如果想在本机调试system call，那么当你进入system call时，系统已经在挂起状态了。如果想要跟踪调试system_call,可以使用kgdb等
     

新进程是从哪里开始执行的

之前谈到的copy_process中的copy_thread()函数,正是这个函数决定了子进程从系统调用中返回后的执行.

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
      unsigned long arg, struct task_struct *p)
      {
          ...
          
          *childregs = *current_pt_regs();
          childregs->ax = 0;
          if (sp)
              childregs->sp = sp;
          
          p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
          
          ...
}

子进程执行ret_from_fork

ENTRY(ret_from_fork)
          CFI_STARTPROC
          pushl_cfi %eax
          call schedule_tail
          GET_THREAD_INFO(%ebp)
          popl_cfi %eax
          pushl_cfi $0x0202       # Reset kernel eflags
          popfl_cfi
          jmp syscall_exit
          CFI_ENDPROC
END(ret_from_fork)

执行起点与内核堆栈如何保证一致?

• 在ret_from_fork之前,也就是在copy_thread()函数中childregs = current_pt_regs();该句将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,

• *childregs的类型为pt_regs,里面存放了SAVE ALL中压入栈的参数

• 故在之后的RESTORE ALL中能顺利执行下去.

三、总结

• Linux通过复制父进程来创建一个新进程,通过调用do_fork来实现

• Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构.

• 为了把内核中的所有进程组织起来，Linux提供了几种组织方式，其中哈希表和双向循环链表方式是针对系统中的所有进程（包括内核线程），而运行队列和等待队列是把处于同一状态的进程组织起来

• fork()函数被调用一次，但返回两次.