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

实验内容：结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核一般执行过程

• 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

一、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()函数主要关注两件事情：

1. 通过copy_process()函数复制进程描述符
2. 通过wake_up_new_task()函数将已经准备好进程上下文的子进程加入就绪队列

copy_process()函数主要两件事情：

1. 通过dup_task_struct()函数复制进程描述符，具体做法是将父进程的结构体task_struct变量的值复制给子进程
2. 通过copy_thread()函数初始化⼦进程内核栈

copy_thread()函数
该函数对task_struct结构体中的thread_struct结构体进行了初始化。

1. 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
2. 设置子进程的sp值，即子进程的内核堆栈
3. 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

最后看一下fork系统调用的总体过程

二、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

三、Linux系统一般执行过程分析

1. 每个进程有一个用户态堆栈和一个内核态堆栈，都属于进程上下文
2. 进程在执行过程中有可能被中断，此时进程进入内核态并切换到中断上下文。系统调用属于异常，也是一种特殊的中断（软中断）
3. 中断上下文并不是一个进程，只是占用了被中断进程的一部分内核堆栈空间
4. 在中断结束，准备返回用户态的时候，内核会检查是否需要进行进程调度
5. 如果不需要进行进程调度，那么直接返回用户态，如果需要进行进程调度，就需要调用schedule()函数切换进程上下文，然后返回新进程的用户态