Linux内核分析第六周作业

Posted 2020-09-07

分析Linux内核创建一个新进程的过程

首先更新MenuOS的代码，加入调用fork的命令。吐槽一句，实验楼免费用户无法连网。还好只要去github复制一段代码即可

先观察一下fork命令的实现

 1 int Fork(int argc, char *argv[])
 2 {
 3     int pid;
 4     /* fork another process */
 5     pid = fork();
 6     if (pid<0) 
 7     { 
 8         /* error occurred */
 9         fprintf(stderr,"Fork Failed!");
10         exit(-1);
11     } 
12     else if (pid==0) 
13     {
14         /*     child process     */
15         printf("This is Child Process!\\n");
16     } 
17     else 
18     {     
19         /*     parent process     */
20         printf("This is Parent Process!\\n");
21         /* parent will wait for the child to complete*/
22         wait(NULL);
23         printf("Child Complete!\\n");
24     }
25 }

根据fork系统调用的返回值，可以区分出当前是父进程还是子进程，或者调用失败。然后父进程通过wait系统调用等待子进程结束，再输出"Child Complete"

因此，为了能退出进程，为quit命令添加一行代码

1 int Quit(int argc, char *argv[])
2 {
3     exit(0);
4 }

编译以后运行一下

可以看到结果是符合预期的。

 

吃个饭回来发现实验楼的虚拟机到时间了 (╯°Д°)╯︵ ┻━┻。。。。启动vmware继续

下面开始具体分析进程创建的过程。

 

Linux有三个系统调用可以创建进程：clone/vfork/fork，网上有许多这三个函数区别的总结，基本上就是父进程和子进程共享资源的区别。

从代码上看，三个系统调用都是通过do_fork实现的，只不过参数不同。而do_fork又主要是由copy_process实现的

于是用gdb直接在copy_process入口处设置断点，进行跟踪。

 

一上来先是检查参数

然后调用dup_task_struct，创建了当前进程task_struct和thread_info结构体的副本。

但是创建的只是结构体的浅复制，结构体内的指针指向的都是同样的地址。于是接下来的一系列copy函数对各个模块进行深度复制

这些copy函数根据do_fork的参数进行复制，如果不复制，就等于共享了父进程的资源。并且复制也不是单纯的直接复制，而是根据情况进行一定的修改。

以copy_thread为例

子进程复制了父进程的用户态寄存器，并且把eax设置为0。这样子进程从系统调用返回的时候，返回值就是0。所以用户态程序根据这一点来区别是哪个进程。

 

这一行把子进程的起始地址设置为ret_from_fork。当前进程作为父进程，还有后续很多工作要做，而当各种工作完成以后，子进程一开始就可以从ret_from_fork处运行

ret_from_fork代码很简单，基本就是直接从系统调用返回用户态，因此并不需要很多堆栈信息，只要保存基本的用户态寄存器等信息用于从系统调用顺利返回即可。

 

除了起始IP和堆栈，还有其他一些要修改的信息，包括使用alloc_pid分配一个新的PID，设置parent指针，明确父子关系等等

最后父进程返回do_fork，调用wake_up_new_task设置子进程的运行状态，子进程就可以被内核调度起来。父进程按照系统调用的正常返回流程返回，并不走ret_from_fork。

通过在ret_from_fork设置断点也可以证明这一点，

 

断点只触发了1次。

 

 

总结

Linux的进程创建方式是通过对父进程的复制实现的。通过这种方式，进程与线程的模型可以统一。而且引入了cow以后，创建新进程的开销极小，是Linux的优势之一。

 

 

王岩

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