2019-2020-1 20199304《Linux内核原理与分析》第七周作业

进程的描述和进程的创建

1.进程描述

1.1操作系统的三大管理功能以及对应的抽象概念：

• 进程管理
• 内存管理
• 文件系统
  
  1.2Linux进程的状态：
  
  （1）Linux中进程的状态细分可以分为七种：
• R运行状态（runing）：并不意味着进程一定在运行中，也可以在运行队列里；
• S睡眠状态（sleeping）：进程在等待事件完成；（浅度睡眠，可以被唤醒）
• D磁盘睡眠状态（Disk sleep）:不可中断睡眠（深度睡眠，不可以被唤醒，通常在磁盘写入时发生）
• T停止状态（stopped）：可以通过发送SIGSTOP信号给进程来停止进程，可以发送SIGCONT信号让进程继续运行
• X死亡状态（dead）:该状态是返回状态，在任务列表中看不到；
• Z僵尸状态（zombie）:子进程退出，父进程还在运行，但是父进程没有读到子进程的退出状态，子进程进入僵尸状态；
• t追踪停止状态（trancing stop）
  
  （2）在linux下，进程三种主要状态：
• 就绪态
• 运行态
• 阻塞状态
  
  每种状态将会依据外部条件不断的切换。 刚开始创建的进程叫做就绪态，叫做task_running 当被调用之后，开始运行叫做运行态，也叫做task_running 这两个状态都用了task_runing同一个标志，可理解为可运行状态，是否运行要看时间片等信息。 如果进程终止后进入僵尸状态，最终被回收。 如果等待某件事情将进入阻塞状态。如果被唤醒重新进入就绪态。
  
  

2.进程的创建

2.1Linux中创建进程一共有三个函数：

• fork，创建子进程。
• vfork，与fork类似，但是父子进程共享地址空间，而且子进程先于父进程运行。
• clone，主要用于创建线程。

注：Linux中所有的进程创建都是基于复制的方式，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。然后对子进程做一些特殊的处理。而Linux中的线程，又是一种特殊的进程。根据代码的分析，do_ fork中，copy_ process管子进程运行的准备，wake_ up_ new_ task作为子进程forking的完成。fork()函数最大的特点就是被调用一次，返回两次。

2.2 do_fork处理内容：

• 调用copy_process，将当期进程复制一份出来为子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。
• 在vfork调用时，初始化vfork的完成处理信息
• 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，得以运行。
• 如果是vfork调用，需要阻塞父进程，直到子进程执行exec。

2.3 copy_process的大体流程：

• 检查各种标志位
• 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。
• 检查进程的数量限制。
• 初始化定时器、信号和自旋锁。
• 初始化与调度有关的数据结构，调用了sched_fork，这里将子进程的state设置为TASK_RUNNING。
• 复制所有的进程信息，包括fs、信号处理函数、信号、内存空间（包括写时复制）等。
• 调用copy_thread，这又是关键的一步，这里设置了子进程的堆栈信息。
• 为子进程分配一个pid
• 设置子进程与其他进程的关系，以及pid、tgid等。这里主要是对线程做一些区分。
• 在copy_process中，copy_thread函数为子进程准备了上下文堆栈信息

2.4 copy_thread的流程如下：

• 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。

实验内容

1.删除之前的menu，再通过git克隆一份新的，使用mv把test.c覆盖掉，然后执行 make roofts。

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

2.执行make rootfs，使用help可以看到列表中增加了fork。

make rootfs
MenuOS>>help

3.使用水平分割，开启新的shell窗口，启动gdb，把内核加载进来，连接到target remote 1234

(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux
(gdb)target remote:1234

4.使用b在sys_clone、do_fork、dup_task_struct、copy_process、copy_thread、ret_from_fork处各设置断点。

(gdb)b sys_clone
(gdb)b do_fork
(gdb)b dup_task_struct
(gdb)b copy_process
(gdb)b copy_thread
(gdb)b ret_from_fork

5.使用c继续执行，停到了 do_fork 位置，然后使用命令n

(gdb)c
(gdb)n

6.到 copy_process() 函数，继续执行。

7.使用c继续执行，到断点copy_thread

总结

通过对本周的课程的学习，我的理解如下：

新的进程通过克隆旧的程序（当前进程）而建立。

fork() 和 clone()（对于线程）系统调用可用来建立新的进程。

这两个系统调用结束时，内核在系统的物理内存中为新的进程分配新的 task_struct 结构，同时为新进程要使用的堆栈分配物理页。

Linux 还会为新的进程分配新的进程标识符。

然后，新 task_struct 结构的地址保存在链表中，而旧进程的 task_struct 结构内容被复制到新进程的 task_struct 结构中。