结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程

一、实验目的

• 以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
• 分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
• 分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
• 以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程

二、fork系统调用分析

　　fork()系统调用用于复制父进程从而创建子进程。fork()的特殊之处在于：一次调用，两次返回。如果fork()执行出现了问题则会返回一个负数。如果fork()系统调用正常执行，会给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0。实际上出fork、vfork和clone这3个系统调⽤，以及do_fork和kernel_thread内核函数都可以实现相同的功能，他们最终都是通过调用_do_fork()函数来实现创建子进程的功能。下面我们来分析_do_fork()函数。

_do_fork代码，具体功能见注释

long _do_fork(struct kernel_clone_args *args)
{
    u64 clone_flags = args->flags;
    struct completion vfork;
    struct pid *pid;
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;
  
    /*
     * Determine whether and which event to report to ptracer.  When
     * called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly
     * requested, no event is reported; otherwise, report if the event
     * for the type of forking is enabled.
     */
    if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
        if (clone_flags & CLONE_VFORK)
            trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
        else if (args->exit_signal != SIGCHLD)
            trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
        else
            trace = PTRACE_EVENT_FORK;
  
        if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
            trace = 0;
    }<br>　　//copy_process主要通过dup_task_struct()函数进行进程描述符的复制，将父进程的结构体task_struct变量的值复制给子进程<br>　　//通过copy_thread()函数进行子进程内核栈的初始化
    p = copy_process(NULL, trace, NUMA_NO_NODE, args);//复制进程描述符
    add_latent_entropy();
  
    if (IS_ERR(p))
        return PTR_ERR(p);
  
    /*
     * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
     * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
     */
    trace_sched_process_fork(current, p);
    pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
    nr = pid_vnr(pid);
  
    if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
        put_user(nr, args->parent_tid);
    if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
        p->vfork_done = &vfork;
        init_completion(&vfork);
        get_task_struct(p);
    }
    wake_up_new_task(p);//将已经准备好进程上下文的子进程加入就绪队列<br>　　//该函数对task_struct结构体中的thread_struct结构体进行了初始化。<br>　　//将子进程的ax值设置为0，即fork()系统调用最终给子进程的返回值<br>　　//设置子进程的sp值，即子进程的内核堆栈<br>　　//将子进程的ip值设置为ret_from_fork，即子进程返回后开始执行的地方
　　/* forking complete and child started to run, tell ptracer */

    if (unlikely(trace))

        ptrace_event_pid(trace, pid);

    if (clone_flags & CLONE_VFORK) {

        if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))

            ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);

    }

  

    put_pid(pid);

    return nr;

}

 

　　

三、execve系统调用分析

execve()用来加载可执行程序，linux系统提供了execl、execlp、execle、execv、execvp和execve等6个库函数，这些库函数统称为exec函数，exec函数都是通过execve系统调⽤进⼊内核，对应的系统调⽤内核处理函数为__x64_sys_execve，最终通过调⽤do_execve来具体执⾏加载可执⾏⽂件的⼯作。

execve()系统调用的执行过程如下：

1. 陷入内核
2. 校验文件并加载新的可执行文件
3. 新加载的文件根据ELF⽂件映射到进程的地址空间，覆盖原来的进程
4. 设置EIP的值。如果可执行程序是静态链接的程序，或不需要动态链接库，则EIP设置为新的可执行文件的main函数地址，如果可执行程序需要其他的动态链接库，则入口地址是加载器ld的入口地址
5. 返回用户态，程序从新的EIP开始继续执行

四、Linux系统的一般执行过程

1. 正在运行的用户态进程X
2. 发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
3. SAVE_ALL //保存现场
4. 中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
5. 标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
6. restore_all //恢复现场
7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
8. 继续运行用户态进程Y