LINUX内核分析第六周学习总结：进程的描述和进程的创建

一、进程的描述

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。

1. 进程控制块PCB——task_struct

操作系统的三大管理功能

- 进程管理 - 内存管理 - 文件系统

PCB task_struct中包含

- 进程状态 - 进程打开的文件 - 进程优先级信息

struct task_struct数据结构很庞大

2. Linux进程的状态

不同于操作系统（就绪、运行、阻塞）

图片来源：《Linux内核设计与实现》

定义的进程状态

3. 我们关心的字段

查看task_struct

进程的标识pid

所有进程链表struct list_head tasks

双向循环链表

继承关系

CPU相关状态

4. 分析内核处理过程

（1）do_fork

调用copy_process，将当前进程复制一份出来给子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。调用wake_up_new_task，将子进程放入调度器的队列中，此时的子进程就可以被调度进程选中运行。

（2）copy_process

创建进程描述符以及子进程所需要的其他所有数据结构，为子进程准备运行环境调用dup_task_struct复制一份task_struct结构体，作为子进程的进程描述符。复制所有的进程信息调用copy_thread，设置子进程的堆栈信息，为子进程分配一个pid。

（3）dup_ task_ struct

先调用alloc_task_struct_node分配一个task_struct结构体。调用alloc_thread_info_node，分配了一个union。这里分配了一个thread_info结构体，还分配了一个stack数组。返回值为ti，实际上就是栈底。tsk->stack = ti将栈底的地址赋给task的stack变量。

最后为子进程分配了内核栈空间。

执行完dup_task_struct之后，子进程和父进程的task结构体，除了stack指针之外，完全相同。

（4）copy_thread

获取子进程寄存器信息的存放位置对子进程的thread.sp赋值，将来子进程运行，这就是子进程的esp寄存器的值。如果是创建内核线程，那么它的运行位置是ret_from_kernel_thread，将这段代码的地址赋给thread.ip，之后准备其他寄存器信息，退出将父进程的寄存器信息复制给子进程。将子进程的eax寄存器值设置为0，所以fork调用在子进程中的返回值为0.子进程从ret_from_fork开始执行，所以它的地址赋给thread.ip，也就是将来的eip寄存器。

（5）运行新进程

从ret_from_fork处开始执行 dup_task_struct中为其分配了新的堆栈copy_process中调用了sched_fork，将其置为TASK_RUNNINGcopy_thread中将父进程的寄存器上下文复制给子进程，这是非常关键的一步，这里保证了父子进程的堆栈信息是一致的。将ret_from_fork的地址设置为eip寄存器的值，这是子进程的第一条指令。

二、进程的创建

1. fork

fork系统调用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pid。

2. 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。 创建新进程是通过复制当前进程实现的。

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。

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。

3. 子进程系统调用处理过程

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈 childregs->ax = 0; //子进程的fork返回0的原因 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 刚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。

三、实践：分析Linux内核创建一个新进程的过程

1. 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

2. gdb调试fork命令

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

在新窗口中启动调试：

$ 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

在Menu系统中输入fork指令，可以看到只输出了fork功能的描述，在断点处sys_clone处停止了。

继续调试，停在do_ fork 和copy_ process

程序停在dup_task_struct函数处

在copy_thread函数中，继续单步执行，可以看到，内核空间压栈地址被初始化了。

程序停止在了ret_ from_ fork处，当前系统执行的是汇编代码。（同时打印出进程信息）

四、总结

Linux通过复制父进程来创建一个新进程，通过调用do_ fork来实现并为每个新创建的进程动态地分配一个task_ struct结构。

1. 新进程的开始

copy_thread()中：

p->thread.ip = (unsigned long) ret _from _fork;

将子进程的ip设置为ret_ form _ fork的首地址，因此子进程是从ret_ from_ fork开始执行的。

2. 执行起点与内核堆栈保证一致

在设置子进程的ip之前：

*childregs = *current_ pt_ regs();

将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,*childregs的类型为pt_regs，其中存放了SAVE ALL中压入栈的参数。