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《Linux 内核分析》第六周：分析Linux内核创建一个新进程的过程

2019-07-14 12:08发布

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白杰 + 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、理论分析

  • 进程控制块PCB，OS中最重要的数据结构之一，存放OS用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息。Linux内核中PCB是一个由task_struct定义的数据结构，定义在:
    /include/linux/sched.h中，主要包含以下内容：
    • 进程状态
    • 进程的内核堆栈
    • 进程的标志位
    • 运行队列
    • 进程优先级
    • 进程调度
    • 进程链表
    • 进程地址空间
    • 进程内存管理
    • 进程标识符
    • 父子进程关系
    • 进程间通信
    • 进程切换
    • 文件系统
    • 其他信息
  • 相关代码如下：
struct task_struct { volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped， 用来描述进程的状态*/ void *stack; /*指定进程的内核堆栈*/ atomic_t usage; unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ unsigned int ptrace; ... ``` int on_rq; /*运行队列*/ /*优先级相关*/ int prio, static_prio, normal_prio; unsigned int rt_priority; /*进程调度*/ const struct sched_class *sched_class; struct sched_entity se; struct sched_rt_entity rt; ... ... struct list_head tasks; /*所有进程的链表*/ struct mm_struct *mm, *active_mm; /*进程地址空间和内存管理，每个进程又自己独立的地址空间*/ ... ... /*定义进程标识符*/ pid_t pid; pid_t tgid; ... ... /*进程父子关系管理*/ 1337 /* 1338 * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling, 1339 * older sibling, respectively. (p->father can be replaced with 1340 * p->real_parent->pid) 1341 */ 1342 struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */ 1343 struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */ 1344 /* 1345 * children/sibling forms the list of my natural children 1346 */ 1347 struct list_head children; /* list of my children */ 1348 struct list_head sibling; /* linkage in my parents children list */ 1349 struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */ 1350 /*ptrace用作调试用*/ 1351 /* 1352 * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on. 1353 * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets. 1354 * p->ptrace_entry is ps link on the p->parent->ptraced list. 1355 */ 1356 struct list_head ptraced; 1357 struct list_head ptrace_entry; 1358 1359 /* PID/PID hash table linkage. */ 1360 struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; 1361 struct list_head thread_group; 1362 struct list_head thread_node; 1363 1364 struct completion *vfork_done; /* for vfork() */ 1365 int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */ 1366 int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */ 1367 /*时间相关代码*/ 1368 cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled; 1369 cputime_t gtime; ... ... 1411/* CPU-specific state of this task */ 1412 struct thread_struct thread; /*在进程切换时起作用*/ 1413/* filesystem information */ 1414 struct fs_struct *fs; 1415/* open file information */ 1416 struct files_struct *files; 1417/* namespaces */ 1418 struct nsproxy *nsproxy; 1419/* signal handlers */ 1420 struct signal_struct *signal; 1421 struct sighand_struct *sighand; 1422 1423 sigset_t blocked, real_blocked; 1424 sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */ 1425 struct sigpending pending; 1426 1427 unsigned long sas_ss_sp; 1428 size_t sas_ss_size; 1429 int (*notifier)(void *priv); 1430 void *notifier_data; 1431 sigset_t *notifier_mask; 1432 struct callback_head *task_works; 1433 1434 struct audit_context *audit_context; 1435 ... ... 1595 /* 1596 * cache last used pipe for splice 1597 */ 1598 struct pipe_inode_info *splice_pipe; 1599 1600 struct page_frag task_frag; ... };
  • 内核中进程的状态转换如下图：
    这里写图片描述 在/include/linux/sched.h中定义了很多task的状态，主要的几个状态如下：
#define TASK_RUNNING 0 #define TASK_INTERRUPTIBLE 1 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
  • 子进程的创建
    fork, vfork和clone都是用户态用来创建一个子进程的系统调用，都是通过调用do_fork()来创建新进程的。
    1. 用户态中fork系统调用通过int 0x80陷入内核态，并保存现场。
    2. 执行do_fork()来创建子进程,过程如下：
      1. 复制一个PCB
      2. 分配一个新的内核堆栈
      3. 修改复制过来的数据，比如pid、进程链表、eip等
    3. 父进程从ISR中返回，恢复现场，IRET到fork的下一条代码执行

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