进程描述与创建

摘要: mqy + 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

 

操作系统的三大功能：进程管理，内层管理，文件系统

最核心：进程管理

进程控制块PCB——task_struct

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。

• struct task_struct数据结构很庞大
• Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，为什么呢？
• 进程的标示pid
• 所有进程链表struct list_head tasks;

• 内核的双向循环链表的实现方法 - 一个更简略的双向循环链表
• 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。进程描述符中有几个域用来表示这样的关系
• 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

• 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，那为什么PCB中没有用户态堆栈？用户态堆栈是怎么设定的？
• 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
• struct thread_struct thread; //CPU-specific state of this task
• 文件系统和文件描述符
• 内存管理——进程的地址空间

 

进程的pid标示某一进程

 

进程的父子关系管理

 

做调试用：

fork一个子进程的代码

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. int main(int argc, char * argv[])
5. {
6.     int pid;
7.     /* fork another process */
8.     pid = fork();//fork在用户态用于创建一个子进程的系统调用
9.     if (pid < 0) 
10.     { 
11.         /* error occurred */
12.         fprintf(stderr,"Fork Failed!");
13.         exit(-1);
14.     } 
15.     else if (pid == 0) 
16.     {
17.         /* child process */
18.         printf("This is Child Process!\n");
19.     } 
20.     else 
21.     { 
22.         /* parent process  */
23.         printf("This is Parent Process!\n");
24.         /* parent will wait for the child to complete*/
25.         wait(NULL);
26.         printf("Child Complete!\n");
27.     }
28. }

fork系统调用在父进程和子进程各返回一次

 

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；
• Linux通过复制父进程来创建一个新进程，那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架：

• 复制一个PCB——task_struct
1. err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
• 要给新进程分配一个新的内核堆栈
1. ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
2. tsk->stack = ti;
3. 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、进程链表等等都要改改吧，见copy_process内部。
• 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，父进程从系统调用中返回比较容易理解，子进程从系统调用中返回，那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢？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

0. *childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
1. childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！
2.  
3. p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
4. p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

进程穿件概览及fork一个进程的用户态代码

 

理解进程创建过程复杂代码的方法

 

创建新进程是通过复制当前进程来实现的

 

系统调用内核处理函数sys_fork,sys_clone,sys-vfork

 

拷贝内核堆栈数据和指定进程的第一条指令进程

 

Int指令和SAVE_ALL压到内核栈的内容

 

实验：分析linux内核创建一个新进程的过程

过程同上次类似，首先更新MenuOS

gdb调试fork

设置断点并调试

 

linux如何创建一个新进程：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