Linux进程启动过程简析

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　　朱宇轲 + 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
　　今天，我们将通过阅读linux的内核代码来对linux系统中进程的创建过程进行简单的分析。
　　大家都知道，linux通过进程控制块PCB来对进程进行控制和管理，它存放了进程的数据。在linux中，PCB的代码如下（当然是节选的==）：



struct task_struct {
volatile long state;//进程状态   
void *stack;//进程堆栈指针
    atomic_t usage;
unsigned int flags;
unsigned int ptrace;
...
//一些记录优先级的变量
int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;
const struct sched_class *sched_class;
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
...
//进程链表
struct list_head tasks;
#ifdef CONFIG_SMP
struct plist_node pushable_tasks;
struct rb_node pushable_dl_tasks;
#endif
//pid号
    pid_t pid;
pid_t tgid;
...
//父进程以及子进程
struct task_struct __rcu *real_parent;
struct task_struct __rcu *parent;
struct list_head children;   
struct list_head sibling;
struct task_struct *group_leader;
...
};
　　
　　可以看到，PCB中记录了进程的ID号、优先级、状态、与其他进程关系等信息，操作系统由此对进程进行管理。
　　需要注意的是，在操作系统内核的具体实现中，是将当前的进程全部存入到一个循环链表中来进行管理的。如下图所示：
　　

　　具体的实验则是利用gdb调试进程创建的函数，实验截图如下：



　　此次我们在6个函数（or 系统调用）处设置了断点：
　　1.sys_clone
2.do_fork
3.dup_task_struct
4.copy_process
5.copy_thread
6.ret_from_fork
　　在实验楼所使用的虚拟系统中，进程创建的底层函数是sys_clone，而sys_clone实际上调用的是do_fork，因此可以说do_fork才是真正实现了创建进程细节的函数。



long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
unsigned long stack_size,
int __user *parent_tidptr,
int __user *child_tidptr)
{
struct task_struct *p;
int trace = 0;
long nr;
......
p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
......
}
　　
　　在这个函数里，p是记录了新的进程的PCB的变量，通过copy_process,系统将父进程的PCB拷贝并修改到子进程中。
　　copy_process函数则是首先利用dup_task_struct将父进程的PCB全盘拷贝，之后再具体修改与父进程不同的子部分。
　　



static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
unsigned long stack_size,
int __user *child_tidptr,
struct pid *pid,
int trace)
{
int retval;
struct task_struct *p;
//拷贝父进程的PCB
p = dup_task_struct(current);
if (!p)
goto fork_out;
//修改具体的部分结构
p->flags &= ~(PF_SUPERPRIV | PF_WQ_WORKER);
p->flags |= PF_FORKNOEXEC;
INIT_LIST_HEAD(&p->children);
INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);
rcu_copy_process(p);
p->vfork_done = NULL;
spin_lock_init(&p->alloc_lock);
...
retval=copy_thread(clone_flags,stack_start,stack_size,p);
}
　　
　　需要注意的是，在copy_process函数中有一个copy_thread函数，在它的函数实现中，将创建的子进程的栈底空间找到，并根据此修改了子进程的ip和sp数据：sp指向栈底，而ip指向ret_from_fork段。那ret_from_fork段又是什么呢，它其实就是下面一段代码：



ENTRY(ret_from_fork)
CFI_STARTPROC
pushl_cfi %eax
call schedule_tail
GET_THREAD_INFO(%ebp)
popl_cfi %eax
pushl_cfi $0x0202        # Reset kernel eflags
popfl_cfi
jmp syscall_exit
CFI_ENDPROC
END(ret_from_fork)
　　
　　可以看到，它最终跳转到了syscall_exit，而syscall_exit就是我们上次分析的中断处理程序sys_call中的代码。这样，sp指向的实际是我们触发终端后存储的上下文的那块儿堆栈，ip则指向syscall_eixt，当新的进程创建时，它会首先执行syscall_exit处的代码，不久就会遇到Restore_All，恢复上下文环境，新的进程得以执行。
　　总结：
　　在linux内核中，创建新的进程时，基本思路是复制父进程的PCB给子进程，如果有不同的数据再进行调整。同时，将子进程执行的第一条命令指向中断恢复的代码，从而实现创建新进程的效果。