淺談Linux內核創(chuàng)建新進程的全過程
更新時間：2016年01月22日 17:00:28 作者：冰水比水冰
這篇文章主要為大家深入淺出的介紹了Linux內核創(chuàng)建新進程的全過程，感興趣的小伙伴們可以參考一下
進程描述
- 進程描述符（task_struct）
用來描述進程的數(shù)據(jù)結構，可以理解為進程的屬性。比如進程的狀態(tài)、進程的標識（PID）等，都被封裝在了進程描述符這個數(shù)據(jù)結構中，該數(shù)據(jù)結構被定義為task_struct
- 進程控制塊（PCB）
是操作系統(tǒng)核心中一種數(shù)據(jù)結構，主要表示進程狀態(tài)。
- 進程狀態(tài)
- fork()
fork()在父、子進程各返回一次。在父進程中返回子進程的 pid，在子進程中返回0。
fork一個子進程的代碼
#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)
{
/* 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");
}
}
進程創(chuàng)建
1、大致流程
fork 通過0x80中斷（系統(tǒng)調用）來陷入內核，由系統(tǒng)提供的相應系統(tǒng)調用來完成進程的創(chuàng)建。
fork.c
//fork
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
return do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL);
#else
/* can not support in nommu mode */
return -EINVAL;
#endif
}
#endif
//vfork
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_VFORK
SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0,
0, NULL, NULL);
}
#endif
//clone
#ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
#ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
int __user *, parent_tidptr,
int, tls_val,
int __user *, child_tidptr)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
int __user *, parent_tidptr,
int __user *, child_tidptr,
int, tls_val)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
int, stack_size,
int __user *, parent_tidptr,
int __user *, child_tidptr,
int, tls_val)
#else
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
int __user *, parent_tidptr,
int __user *, child_tidptr,
int, tls_val)
#endif
{
return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}
#endif
通過看上邊的代碼，我們可以清楚的看到，不論是使用 fork 還是 vfork 來創(chuàng)建進程，最終都是通過 do_fork() 方法來實現(xiàn)的。接下來我們可以追蹤到 do_fork()的代碼：
long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
unsigned long stack_size,
int __user *parent_tidptr,
int __user *child_tidptr)
{
//創(chuàng)建進程描述符指針
struct task_struct *p;
//……
//復制進程描述符，copy_process()的返回值是一個 task_struct 指針。
p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
if (!IS_ERR(p)) {
struct completion vfork;
struct pid *pid;
trace_sched_process_fork(current, p);
//得到新創(chuàng)建的進程描述符中的pid
pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
nr = pid_vnr(pid);
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
put_user(nr, parent_tidptr);
//如果調用的 vfork()方法，初始化 vfork 完成處理信息。
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
p->vfork_done = &vfork;
init_completion(&vfork);
get_task_struct(p);
}
//將子進程加入到調度器中，為其分配 CPU，準備執(zhí)行
wake_up_new_task(p);
//fork 完成，子進程即將開始運行
if (unlikely(trace))
ptrace_event_pid(trace, pid);
//如果是 vfork，將父進程加入至等待隊列，等待子進程完成
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
}
put_pid(pid);
} else {
nr = PTR_ERR(p);
}
return nr;
}
2、do_fork 流程
- 調用 copy_process 為子進程復制出一份進程信息
- 如果是 vfork 初始化完成處理信息
- 調用 wake_up_new_task 將子進程加入調度器，為之分配 CPU
- 如果是 vfork，父進程等待子進程完成 exec 替換自己的地址空間
3、copy_process 流程
追蹤copy_process 代碼（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;
//創(chuàng)建進程描述符指針
struct task_struct *p;
//……
//復制當前的 task_struct
p = dup_task_struct(current);
//……
//初始化互斥變量
rt_mutex_init_task(p);
//檢查進程數(shù)是否超過限制，由操作系統(tǒng)定義
if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
!capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
goto bad_fork_free;
}
//……
//檢查進程數(shù)是否超過 max_threads 由內存大小決定
if (nr_threads >= max_threads)
goto bad_fork_cleanup_count;
//……
//初始化自旋鎖
spin_lock_init(&p->alloc_lock);
//初始化掛起信號
init_sigpending(&p->pending);
//初始化 CPU 定時器
posix_cpu_timers_init(p);
//……
//初始化進程數(shù)據(jù)結構，并把進程狀態(tài)設置為 TASK_RUNNING
retval = sched_fork(clone_flags, p);
//復制所有進程信息，包括文件系統(tǒng)、信號處理函數(shù)、信號、內存管理等
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_policy;
retval = perf_event_init_task(p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_policy;
retval = audit_alloc(p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_perf;
/* copy all the process information */
shm_init_task(p);
retval = copy_semundo(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_audit;
retval = copy_files(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_semundo;
retval = copy_fs(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_files;
retval = copy_sighand(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_fs;
retval = copy_signal(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_sighand;
retval = copy_mm(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_signal;
retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
if (retval)
goto bad_fork_cleanup_mm;
retval = copy_io(clone_flags, p);
//初始化子進程內核棧
retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);
//為新進程分配新的 pid
if (pid != &init_struct_pid) {
retval = -ENOMEM;
pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
if (!pid)
goto bad_fork_cleanup_io;
}
//設置子進程 pid
p->pid = pid_nr(pid);
//……
//返回結構體 p
return p;
- 調用 dup_task_struct 復制當前的 task_struct
- 檢查進程數(shù)是否超過限制
- 初始化自旋鎖、掛起信號、CPU 定時器等
- 調用 sched_fork 初始化進程數(shù)據(jù)結構，并把進程狀態(tài)設置為 TASK_RUNNING
- 復制所有進程信息，包括文件系統(tǒng)、信號處理函數(shù)、信號、內存管理等
- 調用 copy_thread 初始化子進程內核棧
- 為新進程分配并設置新的 pid
4、dup_task_struct 流程
static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
struct task_struct *tsk;
struct thread_info *ti;
int node = tsk_fork_get_node(orig);
int err;
//分配一個 task_struct 節(jié)點
tsk = alloc_task_struct_node(node);
if (!tsk)
return NULL;
//分配一個 thread_info 節(jié)點，包含進程的內核棧，ti 為棧底
ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
if (!ti)
goto free_tsk;
//將棧底的值賦給新節(jié)點的棧
tsk->stack = ti;
//……
return tsk;
}
調用alloc_task_struct_node分配一個 task_struct 節(jié)點
調用alloc_thread_info_node分配一個 thread_info 節(jié)點，其實是分配了一個thread_union聯(lián)合體,將棧底返回給 ti
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
最后將棧底的值 ti 賦值給新節(jié)點的棧
最終執(zhí)行完dup_task_struct之后，子進程除了tsk->stack指針不同之外，全部都一樣！
5、sched_fork 流程
core.c
int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
{
unsigned long flags;
int cpu = get_cpu();
__sched_fork(clone_flags, p);
//將子進程狀態(tài)設置為 TASK_RUNNING
p->state = TASK_RUNNING;
//……
//為子進程分配 CPU
set_task_cpu(p, cpu);
put_cpu();
return 0;
}
我們可以看到sched_fork大致完成了兩項重要工作，一是將子進程狀態(tài)設置為 TASK_RUNNING，二是為其分配 CPU
6、copy_thread 流程
int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
//獲取寄存器信息
struct pt_regs *childregs = task_pt_regs(p);
struct task_struct *tsk;
int err;
p->thread.sp = (unsigned long) childregs;
p->thread.sp0 = (unsigned long) (childregs+1);
memset(p->thread.ptrace_bps, 0, sizeof(p->thread.ptrace_bps));
if (unlikely(p->flags & PF_KTHREAD)) {
//內核線程
memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_kernel_thread;
task_user_gs(p) = __KERNEL_STACK_CANARY;
childregs->ds = __USER_DS;
childregs->es = __USER_DS;
childregs->fs = __KERNEL_PERCPU;
childregs->bx = sp; /* function */
childregs->bp = arg;
childregs->orig_ax = -1;
childregs->cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();
childregs->flags = X86_EFLAGS_IF | X86_EFLAGS_FIXED;
p->thread.io_bitmap_ptr = NULL;
return 0;
}
//將當前寄存器信息復制給子進程
*childregs = *current_pt_regs();
//子進程 eax 置 0，因此fork 在子進程返回0
childregs->ax = 0;
if (sp)
childregs->sp = sp;
//子進程ip 設置為ret_from_fork，因此子進程從ret_from_fork開始執(zhí)行
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
//……
return err;
}
copy_thread 這段代碼為我們解釋了兩個相當重要的問題！
一是，為什么 fork 在子進程中返回0，原因是childregs->ax = 0;這段代碼將子進程的 eax 賦值為0
二是，p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;將子進程的 ip 設置為 ret_form_fork 的首地址，因此子進程是從 ret_from_fork 開始執(zhí)行的
總結
新進程的執(zhí)行源于以下前提：
- dup_task_struct中為其分配了新的堆棧
- 調用了sched_fork，將其置為TASK_RUNNING
- copy_thread中將父進程的寄存器上下文復制給子進程，保證了父子進程的堆棧信息是一致的
- 將ret_from_fork的地址設置為eip寄存器的值
最終子進程從ret_from_fork開始執(zhí)行。
以上就是針對Linux內核創(chuàng)建一個新進程的過程的詳細分析，希望對大家的學習有所幫助。
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