第六节 进程的描述和进程的创建

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了第六节 进程的描述和进程的创建相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

第六周 进程的描述和进程的创建

By 20135217 孙小博

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。

技术分享

  • 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

技术分享

    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!\\n");
    } 
    else 
    {  
        /* parent process  */
        printf("This is Parent Process!\\n");
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!\\n");
    }
}

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:

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  1. gdb准备调试,加载符号表并设置端口。

    file linux-3.18.6/vmlinux
    target remote:1234
  2. 设置断点:

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  1. 单步执行:

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(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

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(2)单步执行到copy_process

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(3)之后进入dup _ task _ struct

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(4)继续执行可到copy_thread

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(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

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