Linux第六周学习总结——进程额管理和进程的创建

作者:刘浩晨

【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

一、 进程的描述

操作系统内核三大功能:进程管理(核心)、内存管理和文件系统。

  1. 进程控制快PCB——进程描述符task_struct数据结构

    进程状态(五种状态)转化:

    注意:就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING,具体是就绪还是执行要看系统当前的资源分配情况。

  2. 进程标识符PID

    进程标识符pid_t pid唯一地标识进程

  3. 所有进程链表struct list_ head tasks;

    双向循环链表链接起了所有的进程,也表示了父子、兄弟等进程关系程序创建的进程具有父子关系,在编程时往往需要引用这样的父子关系。

  4. Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域,用于存放该进程两个不同的数据结构:Thread_ info和进程的内核堆栈。内核控制路径所用的堆栈很少,因此对栈和Thread_ info来说,8KB足够了。

  5. 进程处于内核态时使用,不同于用户态堆栈,即PCB中指定了内核栈。

  6. struct thread_ struct thread; //与当前任务CPU状态相关,对进程上下文切换有关键性作用

  7. struct mm_struct *mm, *active_mm; //内存管理进程的地址空间

  8. struct files_struct *files; //打开文件描述符列表

二、 进程的创建

1. 进程的创建概览及fork一个进程的源代码

进程的起源回顾:

start_ kernel创建了cpu_ idle,即0号进程。0号进程又创建了两个线程,一个是kernel_ init,即1号进程,这个进程最终启动了用户态;另一个是kthreadd。0号进程是固定的代码,1号进程是通过复制0号进程PCB之后在此基础上做修改得到的。

2.fork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) //pid == 0和下面的else都会被执行到(一个是在父进程中即pid ==0的情况,一个是 在子进程中,即pid不等于0)
{
/* child process */
printf("This is Child Process!\n");
}
else
{
/* parent process */
printf("This is Parent Process!\n");
/* parent will wait for the child to complete*/
wait(NULL);
printf("Child Complete!\n");
}
}

3. 系统调用回顾





  • iret与int 0x80指令对应,一个是弹出寄存器值,一个是压入寄存器的值。
  • 如果将系统调用类比于fork();那么就相当于系统调用创建了一个子进程,然后子进程返回之后将在内核态运行,而返回到父进程后仍然在用户态运行。

4.创建一个新进程在内核中的执行过程

fork、vork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程,都通过调用do_fork()实现进程创建。

Linux通过复制父进程创建新进程:

• 复制一个PCB——task_struct

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

• 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

• 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。这就涉及子进程的内核堆栈数据状态和task_struct中thread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,并不是全部,只是regs结构体(内核堆栈栈底的程序)

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,也就是说返回的就是子进程的空间了

5.创建的新进程从哪里开始执行?

一个新创建的子进程,获得CPU之后,从哪一行代码进程执行:

• 与之前写过的my_ kernel相比较,kernel中是可以指定新进程开始的位置(也就是通过eip寄存器指定代码行)。fork中也有相似的机制

• 这涉及子进程的内核堆栈数据状态和task_ struct中thread记录的sp和ip的一致性问题,这是在copy_ thread in copy_ process设定的

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈,并不是全部,只是regs结构体(内核堆栈栈底的程序)

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,也就是说返回的就是子进程的空间了

三、 实验——分析Linux内核创建一个新进程的过程

1.更新menu内核,删除test_fork.c以及test.cc,并重新执行make rootfs

2.比原先多出fork命令,编译内核查看:

3.启动gdb跟踪调试内核,在一些重要函数处设置断点:

4.在MenuOS中执行fork,停在父进程中。继续执行后,停在do_fork的位置:

5.n命令进行单步执行,依次进入copy_process、dup_task_struct。此时父进程的PCB(task_struct数据结构)已经复制过来。s命令进入函数,可以看到dst = src:

6.copy_thread函数中,把task_pg_regs(p)也就是内核堆栈特定的地址找到并初始化

7.当前进程的内核堆栈寄存器中的值复制到子进程中

8.164行:p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //确定返回地址

9.当程序跳转到syscall_exit,就不能再继续gdb跟踪调试,输入finish使得进程运行完。

总结:

1.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。

2.Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构。

3.为了把内核中的所有进程组织起来,Linux提供了几种组织方式,其中哈希表和双向循环链表方式是针对系统中的所有进程(包括内核线程),而运行队列和等待队列是把处于同一状态的进程组织起来。

4.fork()函数被调用一次,但返回两次。

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