第六节 进程的描述和进程的创建——20135203齐岳

第六节 进程的描述和进程的创建

By 20135203齐岳

本周的主要内容：

1. 如何描述一个进程：进程描述符的数据结构；
2. 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；
3. 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

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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
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!
");
	} 
	else 
	{  
    	/* parent process  */
    	printf("This is Parent Process!
");
    	/* parent will wait for the child to complete*/
    	wait(NULL);
    	printf("Child Complete!
");
	}
}

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http://www.cnblogs.com/July0207/p/5277774.html

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PCB
  
    int __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
  

创建的新进程开始启动的位置

int指令和SAVE_ALL压到内核栈的内容：系统调用压栈的相关数据结构，系统调用号，寄存器参数。

当子进程获得CPU的控制权开始运行的时候，ret _ form _ fork可以将后面的堆栈出栈，从iret返回到用户态，从而切换到子进程的用户空间。

实验——使用gdb跟踪创建新进程的过程

1. 将menu目录删除，利用git命令克隆一个新的menu目录。

    rm menu -rf
    git clone https://github.com/mengning/menu.git
   

2. 用test_fork.c将test.c覆盖，然后重新编译footfs

    mv test_fork.c test.c
    make rootfs
   

   可以看到fork函数的运行结果：

3. gdb准备调试，加载符号表并设置端口。

    file linux-3.18.6/vmlinux
    target remote:1234
   

4. 设置断点：

5. 单步执行：

（由于这里报错原因不明，没有办法进行单步调试，后续的实验在实验楼环境下完成。）

（1）使用命令c继续执行，可看到执行到do_fork处

（2）单步执行到copy_process

（3）之后进入dup _ task _ struct

（4）继续执行可到copy_thread

（5）之后可跟踪到ret _ form _ fork，不能继续跟踪执行，结束调试。

总结：通过使用gdb跟踪创建新进程的过程，可以看出创建一个新进程的过程如下：

• 首先调用do_fork函数（函数功能是fork一个新的进程）；
• do _ fork中的copy _ process函数复制父进程的相关信息
• dup _ task _ struct()复制进程的PCB
• thread相关代码给新进程分配一个新的内核堆栈，copy _ thread复制内核堆栈，只复制SAVE _ ALL相关的部分
• 设置sp调度到子进程时的内核栈顶，ip转到子进程时的第一条指令地址
• 当子进程获得CPU的控制权开始运行的时候，ret _ form _ fork可以将后面的堆栈出栈，从iret返回到用户态，从而切换到子进程的用户空间，完成新进程的创建。

参考资料

【原创作品转载请注明出处】 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000