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
- 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
一、以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
fork系统调用：fork由父进程创建一子进程，新创建的子进程几乎但是不完全与父进程相同。
子进程得到与父进程用户级虚拟地址空间相同（但是独立）的一份拷贝，包括文本，数据和bss段、堆以及用户栈。
子进程还获得与父进程任何打开文件描述符相同的拷贝。这就是意味着当父进程调用fork时候，子进程还可以读写父进程中打开的任何文件。
父进程和新创建的子进程之间最大区别在于他们有着不同的PID。
fork系统调用通过do_fork函数来创建新进程，_do_fork函数主要完成了调⽤copy_process()复制⽗进程、获得pid、调⽤wake_up_new_task将⼦进程加⼊就绪队列等待调度执⾏等。
copy_process()是创建进程过程中的主要部分。其主要完成了：
调⽤dup_task_struct复制当前进程（⽗进程）描述符task_struct、
信息检查、
初始化、
把进程状态设置为TASK_RUNNING（此时⼦进程置为就绪态）、
采⽤写时复制技术逐⼀复制所有其他进程资源、
调⽤copy_thread_tls初始化⼦进程内核栈、
设置⼦进程pid等。
其中最关键的就是dup_task_struct，其复制当前进程（⽗进程）描述符task_struct和copy_thread_tls用于初始化⼦进程内核栈。
copy_thread_tls负责构造fork系统调用在子进程的内核堆栈，子进程的内核函数调用堆栈需要特殊构建，为子进程的运行准备好上下文环境。
execve系统调用的主要作用：
分配进程新的地址空间，将环境变量、main参数等拷贝到新地址空间的推栈中；
解析可执行文件，将代码、数据装入/映射到内存
进程新环境的设置，如关闭设置FD_CLOEXEC的文件等
设置execve函数返回到用户态时的执行地址；解析器入口地址或程序的入口地址
execve系统调用主要通过do_execve函数来实现
do_execve函数具体流程如下：
进程分配并使用自己的文件描述符表，不再使用共享的文件描述符表
分配进程新的地址空间mm_struct，并复制老mm_struct的context，并分配一页大小的堆栈内存区。
打开可执行文件；检查可执行文件权限，并预读可执行文件的前BINPRM_BUF_SIZE=128字节数据到buf中
计算环境变量、main参数个数；并将这些参数复制到新地址空间的堆栈中
根据可执行文件的格式，查找对应的handler作后续处理；
二、分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
execve系统调用在保持进程ID不变的情况下，使用新的上下文环境“覆盖”原上下文环境，也即原来的上下文环境不再保存，相关的环境数据直接被丢弃。
三、分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
fork子进程的进程上下文需要借由copy_thread_tls函数特殊构建：子进程的复制了父进程所有的上下文环境信息，但二者的PID不同，各自作为独立的进程被调度。
四、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
以32位x86系统结构linux-3.18.6为例，以系统调⽤作为特殊的中断简要总结如下。
（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），CPU完成以下动作。
• save cs:eip/ss:esp/eflags：当前CPU上下⽂压⼊进程X的内核堆栈。
• load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)：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）SAVE_ALL，保存现场，此时完成了中断上下⽂切换，即从进程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，其中的switch_to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EIP等寄存器状态切换。
（5）标号1，即前述3.18.6内核的swtich_to代码第50⾏“”1:\t“ ”（地址为switch_to中的“$1f”），之后开始运⾏进程Y（这⾥进程Y曾经通过以上步骤被切换出去，因此可以从标号1继续执⾏）。
（6）restore_all，恢复现场，与（3）中保存现场相对应。注意这⾥是进程Y的中断处理过程中，⽽（3）中保存现场是在进程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:eip/ss:esp/eflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（2）中硬件完成的压栈内容。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。
