Linux内核第六节 20135332武西垚-白红宇

Linux内核第六节 20135332武西垚

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发布时间：2019-06-19

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如何描述一个进程：进程描述符的数据结构；

如何创建一个进程：内核是如何执行的，以及新创建的进程从哪里开始执行；

使用gdb跟踪新进程的创建过程。

进程的描述

操作系统三大功能：

进程管理（最核心最基础）

内存管理

文件系统

进程描述符task_struct数据结构

task _ struct：为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。struct task_struct数据结构很庞大。

进程的状态：Linux进程的状态（就绪态、运行态、阻塞态）与操作系统原理中的描述的进程状态有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，当一个进程处于TASK_RUNNING的时候是可运行的，至于有没有运行其中的区别就在于有没有获得CPU的使用权。

进程的标示pid：用来标示进程

进程描述符task_struct数据结构

struct task_struct {volatile long state;    /* 进程的运行状态-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */void *stack; /*指定了进程的内核堆栈*/ atomic_t usage; unsigned int flags; /* 每一个进程的标识符 */ unsigned int ptrace; int on_rq;/运行队列和进程调度相关/

进程调度的链表

所有进程链表struct list_head tasks;
```
struct list_head{    struct list_head *next,*prev; };
```
内核的双向循环链表的实现方法：一个更简略的双向循环链表。

进程的地址空间内存管理相关
```
struct mm_struct *mm, *active_mm;
```

进程标示（pid）
```
pid_t pid;pid_t tgid;
```

进程父子关系

程序创建的进程具有父子关系，在编程时往往需要引用这样的父子关系。进程描述符中有几个域用来表示这样的关系

struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */    struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */    struct list_head children; /* list of my children */ struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */ struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */

调试

struct list_head ptraced;struct list_head ptrace_entry;

当前任务相关的CPU状态
```
struct thread_struct thread;
```
Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程的内核堆栈

进程的创建

start _ kernel代码中的rest _ init创建两个内核线程，kernel _ init和kthreadd。kernel _ init将用户态进程init启动,是所有用户态进程的祖先，kthreadd是所有内核线程的祖先。

在命令行下创建进程和启动内核的原理是大致相同的，复制一份0号进程描述符，然后根据进程需要将pid等数据结构修改，就完成了进程的创建。

fork一个进程的用户态代码

#include 
    
     #include 
     
       #include 
      
        int main(int argc, char * argv[]) { int pid; /* fork another process */ pid = fork();//fork是在用户态用于创建一个子进程的系统调用 if (pid < 0) { /* error occurred */ fprintf(stderr,"Fork Failed!"); exit(-1); } else if (pid == 0) { /* child process */ printf("This is Child Process!\n"); } else { /* parent process */ printf("This is Parent Process!\n"); /* parent will wait for the child to complete*/ wait(NULL); printf("Child Complete!\n"); } }

fork系统调用在父进程和子进程各返回一次，在子进程中返回的pid是0，父进程中的返回值子进程的pid，所以程序中的else if(pid==0)和else都会被执行，它的背后有两个进程，可以利用这一点在用户态创建子进程。

创建一个新进程在内核中的执行过程

系统调用再回顾：见第四节博客

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

Linux通过复制父进程来创建一个新进程，大部分信息都是相同的，少数信息需要修改，否则就会发生混乱。例如：pid、进程链表、内核堆栈、进程执行上下文thread等，并设置好fork返回的下一条指令（esp和eip）。由此得出进程创建的一个大致框架：

复制一个PCB——task_struct

p = dup_task_struct(current);//复制进程的PCBint __weak arch_dup_task_struct(struct task_struct *dst,struct task_struct *src) { *dst = *src;//通过赋值实现复制 return 0; }

给新进程分配一个新的内核堆栈

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);tsk->stack = ti;setup_thread_stack(tsk, orig); //这里只是复制thread_info，而非复制内核堆栈

修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等（见copy_process内部）。

/*copy_thread in copy_process*//*拷贝内核堆栈数据和指定新进程的第一条指令地址*/*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈，只复制了SAVE_ALL相关的部分childregs->ax = 0; //子进程的fork返回0的原因 p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶 p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址