20135220谈愈敏Blog6_进程的描述和创建

进程的描述和创建

谈愈敏 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

进程的描述

操作系统的三大管理功能:

  • 进程管理(最重要的)
  • 内存管理
  • 文件系统

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。

进程控制块PCB task_struct:

  • 进程状态
  • 进程打开的文件
  • 进程优先级信息

task_struct总体数据结构的抽象:

tty:控制台
fs:文件系统
files:文件描述符
mm:内存管理
signal:信号描述

进程状态:不同于操作系统(就绪、运行、阻塞),如Linux中就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING

进程的标示:pid

进程描述符task_struct数据结构:

进程的创建

进程起源回顾:

道生一(start_kernel....cpu_idle)
一生二(kernel_init和kthreadd)
二生三(即前面0、1和2三个进程)
三生万物(1号进程是所有用户态进程的祖先,2号进程是所有内核线程的祖先)

0号进程,是代码写死的,1号进程复制0号进程PCB,再修改,再加载可执行程序。

fork创建一个子进程

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)  //子进程pid == 0时返回,子进程是在内核中返回
{
    /* child process */
    printf("This is Child Process!\n");
} 
else //父进程可以返回
{  
    /* parent process  */
    printf("This is Parent Process!\n");
    /* parent will wait for the child to complete*/
    wait(NULL);
    printf("Child Complete!\n");
}
}

fork在父进程和子进程各返回一次

子进程中返回的是0,父进程中返回值是子进程的id。

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:

do_fork主要是复制了父进程的task_struct,然后修改必要的信息,从而得到子进程的task_struct。

理解这一个过程的一个想象的框架:

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。

新进程从哪里开始执行?

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_structthread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

fork出来的子进程是从ret_from_fork开始执行的,然后跳转到syscall_exit,从系统调用中返回。

实验:分析Linux内核创建一个新进程的过程

启动MenuOS

cd LinuxKernel   
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs

gdb调试fork命令

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
b do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
b copy_thread
b ret_from_fork

跟踪调试:

总结

首先了解了进程控制块PCB,进程描述符task_struct,先从整体抽象概念讲,然后看具体的实现代码,虽然task_struct数据结构很庞大很复杂,我们也要理解一些重点,如进程运行状态、内核堆栈,还有当前CPU相关的一些,文件系统列表,打开的文件描述符等。

关于进程的创建:0号进程,是代码写死的,1号进程复制0号进程PCB,Linux是通过复制父进程来创建一个新进程,然后修改必要的信息,从而得到子进程的task_struct

fork创建的新的子进程是从ret_from_fork开始执行的,然后跳转到syscall_exit,从系统调用中返回。新进程如何开始执行的关键:

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
posted on 2016-03-31 11:35  20135220谈愈敏  阅读(231)  评论(0编辑  收藏  举报