《Linux内核与分析》第六周

Posted 2020-07-03

20135130王川东

1、操作系统的三大管理功能包括：进程管理，内存管理，文件系统。

2、　Linux内核通过唯一的进程标识PID来区别每个进程。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。每个进程的所有信息记录在了进程描述符（task_struct）中。struct  task_struct数据结构很庞大，包括进程状态、进程内核堆栈、进程打开的文件、进程优先级以及进程调度相关信息等等。这是一个包含了很多信息的结构体，也被称之为进程控制块（PCB）。

3、Linux中，PCB task_struct中不包含进程包含的线程列表信息。

4、Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING。这是因为在Linux中，所谓区别一个进程的状态是就绪还是运行，在于它是否得到了CPU的控制权。也就是说，这个进程是否在CPU上实际的执行，如果有实际执行，那就是运行，如果没有，哪怕目前是可以运行，也还只是就绪状态。

　　注意，PCB task_struct中 存有进程链表，这是讲所有进程存在一个双向链表结构中。struct list_head tasks。

5、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。

6、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。进程处于内核态时使用， 不同于用户态堆栈，即PCB中指定了内核栈。内核控制路径所用的堆栈 很少，因此对栈和Thread_info 来说，8KB足够了

7、创建一个新进程在内核中的执行过程：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。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，父进程从系统调用中返回比较容易理解，子进程从系统调用中返回，那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢？Linux中，fork()系统调用产生的子进程在系统调用处理过程中从ret_from_fork处开始执行。

 

实验过程：

通过在myKernel中添加fork的功能，分析Linux内核创建一个新进程的过程。

添加后重新生成menu，并运行。

通过gdb调试，设置断点在sys_clone, do_fork, dup_task_struct, copy_process, copy_thread, ret_from_fork。运行menuOS中的fork，继续调试，查看断点处的代码情况。

 创建新进程的过程分析：

创建的新进程是从哪里开始执行的：ret_from_fork

*childregs = *current_pt_regs();  复制内核堆栈（复制的pt_regs，是SAVE_ALL中系统调用压栈的那一部分。）

childregs->ax = 0;                               子进程的fork返回0
     
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

　ip指向的是ret_from_fork，所以是从这里开始执行的。

Linux操作系统通过start_kernel，在调用的时候执行得到cpu_idle进程，后来通过kernel_init和kthreadd生成了0号进程和1号进程，分别作为最初的内核进程和用户进程。这里的进程最初是通过程序员具体在代码中设置的结构啊，信息啊之类的，而之后的进程则是复制之前的进程，这里可以看做是父进程，生成了新的进程，也就是子进程，当然，子进程的信息会有修改，它并不是跟父进程完全一样。

程序调用状态可以表示为：

fork具体工作过程：

1. 调用sys_clone

2. 执行do_fork()， 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。do_fork()负责进程的复制。

3. 执行copy_process

4 dup_task_struct，复制父进程的task_struct信息到新的task_struct里

fork会产生父子进程，在父进程中，返回值是子进程的进程号；在子进程中，返回值为0。因此可通过返回值来判断当前进程是父进程还是子进程。使用fork函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处复制了整个进程的地址空间，包括进程上下文，进程堆栈，内存信息，打开的文件描述符，信号控制设定，进程优先级，进程组号，当前工作目录，根目录，资源限制，控制终端等。

5.copy_thread

6.ret_from_fork

        进程的用户栈的起始地址存储在task_struct结构的stack_start成员中，新进程是从ret_from_fork处开始执行的。对于fork执行处理过程来说，父子进程共享同一段代码空间，”一次调用，两次返回“，其实对于调用fork的父进程来说，如果fork出来的子进程没有得到调度，那么父进程从fork系统调用返回。再看fork出来的子进程，由 copy_process函数可以看出，子进程的返回地址为ret_from_fork（和父进程在同一个代码点上返回），返回值直接置为0。所以当子进 程得到调度的时候，也从fork返回，返回值为0。ret_from_fork()调用schedule_tail()函数，用存放在栈中的值再装入所有寄存器，并强迫CPU返回到用户态。这样，eax寄存器就装过两个值，一个是子进程的值0，一个是父进程的值——子进程的PID。然后在fork()、vfork()或clone()返回时，新进程将开始执行。在不同的进程中返回不同的值。