Linux内核分析——进程的描述和进程的创建
进程的描述和进程的创建
一、 进程的描述
（一）进程控制块PCB——task_struct
1、操作系统的三大管理功能包括：
（1）进程管理
（2）内存管理
（3）文件系统
2、PCB task_struct中包含：
（1）进程状态
（2）进程打开的文件
（3）进程优先级信息
3、通过唯一的进程标识PID来区别每个进程。
4、进程控制块PCB——task_struct
5、进程状态
（1）创建新进程后实际的状态是TASK_RUNNING，就绪但是没有运行，调度器选择一个task之后进入运行态，也叫TASK_RUNNING。
（2）当进程是TASK_RUNNING时，代表这个进程是可运行的，至于它有没有真的在运行，取决于它有没有获得cpu的控制权，即有没有在cpu上实际的运行。
（3）一个正在进行的进程调用do_exit()，进入TASK_ZOMBIE，进程被终止，“僵尸进程”。
（4）等待特定时间或者资源的时候，进入阻塞态，如果条件满足就进入就绪态，被选择后进入运行态。
6、理解task_struct数据结构
（1）进程的标示pid
（2）为了对给定类型的进程进行有效的搜索，内核维护了几个进程链表。
（3）所有进程链表struct list_head tasks
7、CPU相关的状态
二、 进程的创建
（一）进程的创建概览及fork一个进程的用户态代码
1、fork一个子进程的代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
int pid;
/* fork another process */
pid = fork();
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");
}
}
（1）fork()系统调用从内核返回两次：一次回到父进程，另一次回到新产生的子进程。
（2）fork()实际上是由clone()系统调用实现的。
（二）理解进程创建过程复杂代码的方法
1、调用fork的过程：
（三）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，那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架：
- 复制一个PCB——task_struct
- err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
- 要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
- 要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等都要改改吧，见copy_process内部。
- 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？这就涉及子进程的内核堆栈数据状态和task_struct中thread记录的sp和ip的一致性问题，这是在哪里设定的？copy_thread in copy_process
- *childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
- childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！
- 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
新进程执行起点：return_from_fork，只复制了内核堆栈一部分，int指令和save_all压到内核栈的内容，参数、系统调用号等都进行压栈。
（四）使用gdb跟踪创建新进程的过程
1、准备工作：
rm menu -rf
git clone http://github.com/mengning/menu.git //更新Menu
cd menu
mv test_fork.c test.c //把test.c覆盖掉
make rootfs
2、进行gdb调试：
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
// 设置断点
b sys_clone //因为fork实际上是执行的clone
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_fork
c
n
tsk->stack = ti; //把内核堆栈的地址赋给它
sturct pt_regs *childregs = task_pg_regs(p); //把内核堆栈压栈的空间地址找到，初始化。
*childregs = *current_pt_regs();
childregs->ax = 0; //把当前进程的内核堆栈的压的寄存器赋值到子进程中来。
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //设置子进程被调度的ip，即子进程的起点
jmp syscall_exit; //这之后就跟踪不到了。
三、总结
进程就是处于执行期的程序；进程就是正在执行的程序代码的实时结果；进程是处于执行期的程序以及相关的资源的总称。
进程在创建它的时刻开始存活。在Linux系统中，这通常是调用fork()系统的结果。fork()系统调用从内核返回两次：一次回到父进程，另一次回到新产生的子进程。它实际上是由clone()系统调用实现的。
