分析Linux内核创建一个新进程的过程

Posted 2020-07-02

 

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1. 题目自拟，内容围绕对Linux系统如何创建一个新进程进行；

2. 可以结合实验截图、绘制堆栈状态执行流程图等；

3. 博客内容中需要仔细分析新进程的执行起点及对应的堆栈状态等。

4. 总结部分需要阐明自己对“Linux系统创建一个新进程”的理解

 实验报告：

1. 阅读理解task_struct数据结构http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/include/linux/sched.h#1235；

   1. state:运行状态
   2. stack：内核堆栈
   3. tasks：进程链表
   4. mm：内存管理
   5. task_state：任务的状态
   6. pid：进程PID
   7. real_parent children：进程的父子关系
   8. files：文件描述符列表
   9. signal：信号处理相关
   10. splice_pipe：管道相关

2. 分析fork函数对应的内核处理过程sys_clone，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构；

   1. fork、vfork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，都是通过调用do_fork来实现进程的创建
   2. 创建新进程需要先复制一个PCB：task_struct
   3. 再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

   4. 再修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等，见copy_process内部
   5. 从用户态的代码看fork();函数返回了两次，即在父子进程中各返回一次

      1 *childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
      2 childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！
      3  
      4 p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
      5 p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

   6. do_fork完成了创建中的大部分工作，该函数调用copy_process（）函数，然后让进程开始运行。copy_process（）函数工作如下:

      • 1、调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈、thread_info结构和task_struct，这些值与当前进程的值相同
      • 2、检查
      • 3、子进程着手使自己与父进程区别开来。进程描述符内的许多成员被清0或设为初始值。
      • 4、子进程状态被设为TASK_UNINTERRUPTIBLE，以保证它不会投入运行
      • 5、copy_process（）调用copy_flags()以更新task_struct的flags成员。表明进程是否拥有超级用户权限的PF_SUPERPRIV标志被清0。表明进程还没有调用exec（）函数的PF_FORKNOEXEC标志被设置
      • 6、调用alloc_pid()为新进程分配一个有效的PID
      • 7、根据传递给clone（）的参数标志，copy_process()拷贝或共享打开的文件、文件系统信息、信号处理函数、进程地址空间和命名空间等
      • 8、最后，copy_process（）做扫尾工作并返回一个指向子进程的指针

3. 使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数sys_clone ，验证您对Linux系统创建一个新进程的理解

   1. 下断点的函数：sys_clone do_fork dup_task_struct copy_struct copy_process copy_thread ret_from_fork
   2. dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈
   3. copy_process()主要完成进程数据结构，各种资源的初始化

4. 特别关注新进程是从哪里开始执行的？为什么从哪里能顺利执行下去？即执行起点与内核堆栈如何保证一致。

   1. ret_from_fork;决定了新进程的第一条指令地址
   2. 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
   3. 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
   4. *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