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[Linux] 浅谈Linux内核创建新进程的全过程

服务系统 服务系统 发布于:2021-11-02 10:14 | 阅读数:508 | 评论:0

这篇文章主要为大家深入浅出的介绍了Linux内核创建新进程的全过程,感兴趣的小伙伴们可以参考一下
进程描述

  • 进程描述符(task_struct)
用来描述进程的数据结构,可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识(PID)等,都被封装在了进程描述符这个数据结构中,该数据结构被定义为task_struct

  • 进程控制块(PCB)
是操作系统核心中一种数据结构,主要表示进程状态。

  • 进程状态
DSC0000.jpg


  • fork()
fork()在父、子进程各返回一次。在父进程中返回子进程的 pid,在子进程中返回0。
fork一个子进程的代码
#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");
}
}
进程创建
1、大致流程
fork 通过0x80中断(系统调用)来陷入内核,由系统提供的相应系统调用来完成进程的创建。
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
通过看上边的代码,我们可以清楚的看到,不论是使用 fork 还是 vfork 来创建进程,最终都是通过 do_fork() 方法来实现的。接下来我们可以追踪到 do_fork()的代码:
long do_fork(unsigned long clone_flags,
   unsigned long stack_start,
   unsigned long stack_size,
   int __user *parent_tidptr,
   int __user *child_tidptr)
{
  //创建进程描述符指针
  struct task_struct *p;
 
  //……
 
  //复制进程描述符,copy_process()的返回值是一个 task_struct 指针。
  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);
 
    //得到新创建的进程描述符中的pid
    pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
    nr = pid_vnr(pid);
 
    if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
    put_user(nr, parent_tidptr);
 
    //如果调用的 vfork()方法,初始化 vfork 完成处理信息。
    if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
    p->vfork_done = &vfork;
    init_completion(&vfork);
    get_task_struct(p);
    }
 
    //将子进程加入到调度器中,为其分配 CPU,准备执行
    wake_up_new_task(p);
 
    //fork 完成,子进程即将开始运行
    if (unlikely(trace))
    ptrace_event_pid(trace, pid);
 
    //如果是 vfork,将父进程加入至等待队列,等待子进程完成
    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

  • 调用 copy_process 为子进程复制出一份进程信息
  • 如果是 vfork 初始化完成处理信息
  • 调用 wake_up_new_task 将子进程加入调度器,为之分配 CPU
  • 如果是 vfork,父进程等待子进程完成 exec 替换自己的地址空间
3、copy_process 流程
追踪copy_process 代码(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;
 
  //创建进程描述符指针
  struct task_struct *p;
 
  //……
 
  //复制当前的 task_struct
  p = dup_task_struct(current);
 
  //……
 
  //初始化互斥变量  
  rt_mutex_init_task(p);
 
  //检查进程数是否超过限制,由操作系统定义
  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;
  }
 
  //……
 
  //检查进程数是否超过 max_threads 由内存大小决定
  if (nr_threads >= max_threads)
  goto bad_fork_cleanup_count;
 
  //……
 
  //初始化自旋锁
  spin_lock_init(&p->alloc_lock);
  //初始化挂起信号
  init_sigpending(&p->pending);
  //初始化 CPU 定时器
  posix_cpu_timers_init(p);
 
 
  //……
 
  //初始化进程数据结构,并把进程状态设置为 TASK_RUNNING
  retval = sched_fork(clone_flags, p);
 
  //复制所有进程信息,包括文件系统、信号处理函数、信号、内存管理等
  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);
 
  //初始化子进程内核栈
  retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);
 
  //为新进程分配新的 pid
  if (pid != &init_struct_pid) {
  retval = -ENOMEM;
  pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
  if (!pid)
    goto bad_fork_cleanup_io;
  }
 
  //设置子进程 pid 
  p->pid = pid_nr(pid);
 
 
  //……
 
 
  //返回结构体 p
  return p;

  • 调用 dup_task_struct 复制当前的 task_struct
  • 检查进程数是否超过限制
  • 初始化自旋锁、挂起信号、CPU 定时器等
  • 调用 sched_fork 初始化进程数据结构,并把进程状态设置为 TASK_RUNNING
  • 复制所有进程信息,包括文件系统、信号处理函数、信号、内存管理等
  • 调用 copy_thread 初始化子进程内核栈
  • 为新进程分配并设置新的 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;
 
  //分配一个 task_struct 节点
  tsk = alloc_task_struct_node(node);
  if (!tsk)
  return NULL;
 
  //分配一个 thread_info 节点,包含进程的内核栈,ti 为栈底
  ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
  if (!ti)
  goto free_tsk;
 
  //将栈底的值赋给新节点的栈
  tsk->stack = ti;
 
  //……
 
  return tsk;
 
}
调用alloc_task_struct_node分配一个 task_struct 节点
调用alloc_thread_info_node分配一个 thread_info 节点,其实是分配了一个thread_union联合体,将栈底返回给 ti
union thread_union {
  struct thread_info thread_info;
 unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
最后将栈底的值 ti 赋值给新节点的栈
最终执行完dup_task_struct之后,子进程除了tsk->stack指针不同之外,全部都一样!
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);
 
  //将子进程状态设置为 TASK_RUNNING
  p->state = TASK_RUNNING;
 
  //……
 
  //为子进程分配 CPU
  set_task_cpu(p, cpu);
 
  put_cpu();
  return 0;
}
我们可以看到sched_fork大致完成了两项重要工作,一是将子进程状态设置为 TASK_RUNNING,二是为其分配 CPU
6、copy_thread 流程
int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
  unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
  //获取寄存器信息
  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)) {
  //内核线程
  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;
  }
 
  //将当前寄存器信息复制给子进程
  *childregs = *current_pt_regs();
 
  //子进程 eax 置 0,因此fork 在子进程返回0
  childregs->ax = 0;
  if (sp)
  childregs->sp = sp;
 
  //子进程ip 设置为ret_from_fork,因此子进程从ret_from_fork开始执行
  p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
 
  //……
 
  return err;
}
copy_thread 这段代码为我们解释了两个相当重要的问题!
一是,为什么 fork 在子进程中返回0,原因是childregs->ax = 0;这段代码将子进程的 eax 赋值为0
二是,p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;将子进程的 ip 设置为 ret_form_fork 的首地址,因此子进程是从 ret_from_fork 开始执行的
总结
新进程的执行源于以下前提:

  • dup_task_struct中为其分配了新的堆栈
  • 调用了sched_fork,将其置为TASK_RUNNING
  • copy_thread中将父进程的寄存器上下文复制给子进程,保证了父子进程的堆栈信息是一致的
  • 将ret_from_fork的地址设置为eip寄存器的值
最终子进程从ret_from_fork开始执行。
以上就是针对Linux内核创建一个新进程的过程的详细分析,希望对大家的学习有所帮助。

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