Linux第六次实验——谢飞帆

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在Linux中,task_struct其实就是通常所说的PCB。该结构定义位于:

/include/linux/sched.h

task_struct比较庞大,大致可以分为几个部分:

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）

其它信息

其中比较重要的几个参数:

volatile long state;

进程状态,可见

/include/linux/sched.h

文件中的宏,TASK_RUNNING等

unsigned int rt_priority;

实时优先级

unsigned int policy;

调度策略

pid_t pid;

进程标识符

struct task_struct __rcu *real_parent;

real parent

struct list_head children;

list of my children

struct files_struct *files;

系统打开文件

分析内核处理过程sys_clone

fork、vfork和clone三个系统调用实际上都是通过

do_fork

来实现进程的创建.
见如下语句:

return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);

do_fork 函数

而do_fork函数真正实现复制是

copy_process

long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
unsigned long stack_size,
int __user *parent_tidptr,
int __user *child_tidptr)
{

...

p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
...
}

copy_process函数

copy_process()主要完成进程数据结构，各种资源的初始化。

p = dup_task_struct(current);

(省略的IF语句)检查clone_flags参数,防止无效的组合进入

p = dup_task_struct(current);

调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈

判断权限及允许范围的代码

对子进程的描述符初始化和复制父进程的资源给子进程

retval = sched_fork(clone_flags, p);

完成调度相关的设置，将这个task分配给CPU

if (retval)

语句群,复制共享进程的的各个部分

retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);

复制父进程堆栈的内容到子进程的堆栈中去.这其中,copy_thread()函数中的语句

p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;

决定了新进程的第一条指令地址.

dup_task_struct()

static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
struct task_struct *tsk;
struct thread_info *ti;
int node = tsk_fork_get_node(orig);
int err;

tsk = alloc_task_struct_node(node);
if (!tsk)
return NULL;

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
if (!ti)
goto free_tsk;

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
if (err)
goto free_ti;

tsk->stack = ti;
# ifdef CONFIG_SECCOMP

tsk->seccomp.filter = NULL;
# endif

setup_thread_stack(tsk, orig);
clear_user_return_notifier(tsk);
clear_tsk_need_resched(tsk);
set_task_stack_end_magic(tsk);

# ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
tsk->stack_canary = get_random_int();
# endif

atomic_set(&tsk->usage, 2);
# ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
tsk->btrace_seq = 0;
# endif
tsk->splice_pipe = NULL;
tsk->task_frag.page = NULL;

account_kernel_stack(ti, 1);

return tsk;

free_ti:
free_thread_info(ti);
free_tsk:
free_task_struct(tsk);
return NULL;
}

tsk = alloc_task_struct_node(node);

为task_struct开辟内存

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);

ti指向thread_info的首地址，同时也是系统为新进程分配的两个连续页面的首地址。

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

复制父进程的task_struct信息到新的task_struct里, (dst = src;)

tsk->stack = ti;

task的对应栈

setup_thread_stack(tsk, orig);

初始化thread info结构

set_task_stack_end_magic(tsk);

栈结束的地址设置数据为栈结束标示(for overflow detection)

gdb跟踪sys_clone

用GDB来跟踪sys_clone,设置以下断点:



fork1.png

运行后首先停在sys_clone处:



然后是do_fork,之后是copy_process:



fork3.png

进入copy_thread:



fork4.png

在copy_thread中,我们可以查看p的值



fork5.png

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



fork6.png

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



fork7.png

新进程是从哪里开始执行的？

在之前的分析中,谈到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.

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

文／uglyyouth（简书作者）
原文链接：http://www.jianshu.com/p/d843695f3ee8
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