Linux内核 ——进程管理之进程诞生（基于版本4.x）

《奔跑吧linux内核》3.1笔记，不足之处还望大家批评指正

进程是Linux内核最基本的抽象之一，它是处于执行期的程序。它不仅局限于一段可执行代码（代码段），还包括进程需要的其他资源。在Linux内核中常被称作任务。

线程被称为轻量级进程，是操作系统调度的最小单元，通常一个进程可以拥有多个线程。

进程和线程的区别在于进程拥有独立的资源空间，而线程则共享进程的资源空间。

问题一：在内核中如何获取当前进程的task_struct数据结构？

　　内核有一个常用的常量current用于获取当前进程task_struct数据结构，它利用了内核栈的特性。首先通过sp寄存器获取当前内核栈的地址，对齐后获取struct thread_info数据结构指针，最后通过thread_info->task成员获取task_struct数据结构。图1为linux内核栈的结构图。

图1 内核栈

问题二：下面程序会打印几个“_”?

int main(void){

　　int i;

　　for(i=0; i<2; i++){

　　　　fork();

　　　　printf("_\n");}

　　wait(NULL);wait(NULL);

　　return 0;}

　　答案是6个“_”，具体思路如图2所示。（i=0，调用一次fork后，父进程a创建子进程b，此后a和b进行打印，打印两个“_”；后i=1，a和b均调用fork，a创建子进程a_1，b创建子进程b_1，4个进程执行打印操作，打印出四个“_”；i=2，返回）

图2 fork解题思路

问题三：用户空间进程的页表是什么时候分配的，其中一级页表什么时候分配？二级页表呢？

　　（此问有点疑问，暂且认为一级页表为页目录项(pgd)，二级页表为也表项(pte)）

　　对于内核来说，进程的“鼻祖”是idle进程，称为swapper进程；对于用户空间来说，进程“鼻祖”是init进程，所有用户空间进程都由init进程创建或派生。

　　在mm_init()函数中，首先给新进程的mm_struct数据结构进行初始化，然后对mm_users，mm_count进行初始化，设置进程空间地址读写信号量，设置保护进程页表的spinlock锁，最后调用pgd_alloc()函数进行pgd页表的分配工作。在pgd_alloc()函数中，调用pte_alloc_map()函数进行第0，第1个页表的分配，此后在dup_mmap()函数中将父进程所有的VMA对应的pte页表项复制到子进程对应的pte页表项中。

问题四：请简述fork,vfork和clone之间的区别？

　　fork,vfork,clone的实现都是通过调用do_fork()函数实现的，只是函数调用不一样。

　　fork函数实现：do_fork(SIGCHLD,0,0,NULL,NULL)；只使用SIGCHLD标志位，在子进程终止后发送SIGCHLD信号通知父进程。fork是重量级调用，为子进程建立了一个基于父进程的完整副本，然后子进程基于此运行。为了减少工作量采用写时复制技术(COW)，子进程只复制父进程的页表，不复制页面内容。当子进程需要写入新内容时，才触发写时复制机制，为子进程创建一个副本。

　　vfork函数实现：do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD,0,0,NULL,NULL)；它比fork多了两个标志位，分别为CLONE_VFORK和CLONE_VM。CLONE_VFORK表示父进程会被挂起，直至子进程释放虚拟内存资源。CLONE_VM表示父子进程运行在相同的内存空间中。

　　clone函数实现：do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr)；clone用于创建线程，并且参数通过寄存器从用户空间传递下来，通常会指定新的栈地址(newsp)。