LinuxLab3---结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程

一、实验要求

结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核一般执行过程

• 以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
• 分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
• 分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
• 以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程

完成一篇博客总结分析Linux系统的一般执行过程，以期对Linux系统的整体运作形成一套逻辑自洽的模型，并能将所学的各种OS和Linux内核知识/原理融通进模型中。

 

二、fork函数

 1.fork函数功能

fork函数系统调用创建一个子进程，子进程复制了父 进程中所有的进程信息，包括内核堆栈、进程描述符等，子进程作为一个独立的进程也会被调度，当子进程获得CPU开始运行时，从用户态空间来看，就是fork系统调用的下一条指令。但fork系统调用在子进程当中也是返回的，也就是说fork系统调用在内核里面变成了父子两个进程，父进程正常fork系统调用返回到用户态，fork出来的子进程也要从内核里返回到用户态。

2.fork函数过程

主要调用过程

• _do_fork
  • copy_process 复制进程描述符和执⾏时所需的其他数据结构
    • dup_task_struct 复制进程描述符task_struct、创建内核堆栈等
    • copy_thread_tls 初始化⼦进程内核栈和thread
  • wake_up_new_task 将⼦进程添加到就绪队列
• 系统调用返回

系统调用号57

 

 

 

 调用_do_fork函数

 

 _do_fork函数主要调用copy_process和wake_up_new_task函数

 

 copy_process函数

复制进程描述符

  复制所有进程信息，初始化子进程内核栈

 

子进程从ret_from_fork开始执行

 

 总体过程

 

 

 

 fork调用会有两次返回。第⼀次返回到原来的⽗进程的位置继续向下执⾏，这和其他的系统调⽤是⼀样的。

在⼦进程中fork也返回了⼀次，会返回到⼀个特定的点ret_from_fork，通过内核构造的堆栈环境，它可以正常系统调⽤返回到⽤户态。

三、execve函数

Linux系统⼀般会提供了execl、 execlp、 execle、 execv、 execvp和execve等6个⽤以加载执⾏⼀个可执⾏⽂件的库函数，这些库函数统称为exec函数，差异在于对命令⾏参数和环境变量参数的传递⽅式不同。 exec函数都是通过execve系统调⽤进⼊内核，对应的系统调⽤内核处理函数为__x64_sys_execve，它们都是通过调⽤do_execve来具体执⾏加载可执⾏⽂件的⼯作。

 整体的调用关系为如下

• __x64_sys_execve
• do_execve() 
• do_execveat_common() 
• __do_execve_file
• exec_binprm()
• search_binary_handler() 
• load_elf_binary() 
• start_thread() 

代码分析

调用do_execve

 对参数进行了类型转换，调用do_execveat_common

 

 

 调用__do_execve_file

打开要加载的可执行文件

 

 

 交给真正的可执行文件加载器

 

 

 查找可执行文件处理函数

 

 

 寻找能够解析当前可执行文件的代码并加载

 

 

 

load_binary实际调用load_elf_binary

load_elf_binary中进行了一系列操作，按照ELF文件格式加载，然后启动新的进程

 

 

将之前pt_regs保存的堆栈和返回地址设置为新的ip，返回用户态时转而执行elf_entry指向的代码 

 

 

 四、Linux系统的一般执行过程

Linux中最基本和一般的场景，正在运行的的用户进程X切换到用户进程Y的过程。

（1）正在运⾏的⽤户态进程X。

（2）发⽣中断（包括异常、系统调⽤等），硬件完成
　　当前CPU上下文压入用户态进程X的内核堆栈。
　　加载当前进程内核堆栈相关信息，跳转到中断处理程序，即中断执行路径的起点。

（3）保存现场，完成中断上下文切换，从进程X的用户态到进程X的内核态

（4）中断处理过程中或中断返回前调⽤了schedule函数，其中完成了进程调度算法选择next进程、进程地址空间切换、关键的进程上下⽂切换等。

（5）switch_to调⽤了__switch_to_asm汇编代码做了关键的进程上下⽂切换。将当前进程X的内核堆栈切换到进程调度算法选出来的next进程（本例假定为进程Y）的内核堆栈，并完成了进程上下⽂所需的指令指针寄存器状态切换。之后开始运⾏进程Y。

（6）中断上下⽂恢复，与（3）中断上下⽂切换相对应。注意这⾥是进程Y的中断处理过程中，⽽（3）中断上下⽂切换是在进程X的中断处理过程中，因为内核堆栈从进程X切换到进程Y了。

（7）iret pop cs:rip/ss:rsp/rflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（3）中对应的压栈内容。此时完成了中断上下⽂的切换，即从进程Y的内核态返回到进程Y的⽤户态。

（8）继续运⾏⽤户态进程Y。