此文仅用于MOOCLinux内核分析作业

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task_struct数据结构

根据wiki的定义,进程是计算机中已运行程序的实体。在面向线程设计的系统（Linux 2.6及更新的版本）中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。

A computer program is a passive collection of instructions; a process is the actual execution of those instructions. Several processes may be associated with the same program; for example, opening up several instances of the same program often means more than one process is being executed.

在Linux中,task_struct其实就是通常所说的PCB。该结构定义位于:

/include/linux/sched.h

task_struct比较庞大,大致可以分为几个部分:

• 进程状态（State）
• 进程调度信息（Scheduling Information）
• 各种标识符（Identifiers）
• 进程通信有关信息（IPC：Inter_Process Communication）
• 时间和定时器信息（Times and Timers）
• 进程链接信息（Links）
• 文件系统信息（File System）
• 虚拟内存信息（Virtual Memory）
• 页面管理信息（page）
• 对称多处理器（SMP）信息
• 和处理器相关的环境（上下文）信息（Processor Specific Context）
• 其它信息

其中比较重要的几个参数:

• volatile long state;进程状态,可见/include/linux/sched.h文件中的宏,TASK_RUNNING等
• unsigned int rt_priority;实时优先级
• unsigned int policy;调度策略
• pid_t pid;进程标识符
• struct task_struct __rcu *real_parent;real parent
• struct list_head children;list of my children
• struct files_struct *files;系统打开文件

分析内核处理过程sys_clone

fork、vfork和clone三个系统调用实际上都是通过do_fork来实现进程的创建.
见如下语句:

return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);

• do_fork 函数

而do_fork函数真正实现复制是copy_process

long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{

    ...
    
    p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);
  ...
}

• copy_process函数

copy_process()主要完成进程数据结构，各种资源的初始化。

p = dup_task_struct(current);

1. (省略的IF语句)检查clone_flags参数,防止无效的组合进入
2. p = dup_task_struct(current);调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈
3. 判断权限及允许范围的代码
4. 对子进程的描述符初始化和复制父进程的资源给子进程

- `retval = sched_fork(clone_flags, p);`完成调度相关的设置，将这个task分配给CPU
- `if (retval)`语句群,复制共享进程的的各个部分
- `retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);`复制父进程堆栈的内容到子进程的堆栈中去.这其中,copy_thread()函数中的语句`p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;`决定了新进程的**第一条指令地址**.

• dup_task_struct()

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;
    
    tsk = alloc_task_struct_node(node);
    if (!tsk)
        return NULL;
    
    ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
    if (!ti)
        goto free_tsk;
    
    err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
    if (err)
        goto free_ti;
    
    tsk->stack = ti;
# ifdef CONFIG_SECCOMP

    tsk->seccomp.filter = NULL;
# endif

    setup_thread_stack(tsk, orig);
    clear_user_return_notifier(tsk);
    clear_tsk_need_resched(tsk);
    set_task_stack_end_magic(tsk);

# ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
    tsk->stack_canary = get_random_int();
# endif

    atomic_set(&tsk->usage, 2);
# ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
    tsk->btrace_seq = 0;
# endif
    tsk->splice_pipe = NULL;
    tsk->task_frag.page = NULL;
    
    account_kernel_stack(ti, 1);
    
    return tsk;

free_ti:
    free_thread_info(ti);
free_tsk:
    free_task_struct(tsk);
    return NULL;
}

1. tsk = alloc_task_struct_node(node);为task_struct开辟内存
2. ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);ti指向thread_info的首地址，同时也是系统为新进程分配的两个连续页面的首地址。
3. err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);复制父进程的task_struct信息到新的task_struct里, (*dst = *src;)
4. tsk->stack = ti;task的对应栈
5. setup_thread_stack(tsk, orig);初始化thread info结构
6. set_task_stack_end_magic(tsk);栈结束的地址设置数据为栈结束标示(for overflow detection)

gdb跟踪sys_clone

• 用GDB来跟踪sys_clone,设置以下断点:

fork1.png

• 运行后首先停在sys_clone处:

• 然后是do_fork,之后是copy_process:

fork3.png

• 进入copy_thread:

fork4.png

• 在copy_thread中,我们可以查看p的值

fork5.png

• 但是回到copy_process后再查看,将得到一个value optimized out的提示,这是因为Linux内核打开gcc的-O2选项优化导致.如果想要关掉,可以参考:这里

fork6.png

• ret_from_fork按照之前的分析被调用,跟踪到syscall_exit后无法继续.如果想在本机调试system call，那么当你进入system call时，系统已经在挂起状态了。如果想要跟踪调试system_call,可以使用kgdb等

fork7.png

新进程是从哪里开始执行的？

在之前的分析中,谈到copy_process中的copy_thread()函数,正是这个函数决定了子进程从系统调用中返回后的执行.

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,
    unsigned long arg, struct task_struct *p)
{
    ...
    
    *childregs = *current_pt_regs();
    childregs->ax = 0;
    if (sp)
        childregs->sp = sp;
    
    p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;
    
    ...
}

子进程执行ret_from_fork

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)

执行起点与内核堆栈如何保证一致?

1. 在ret_from_fork之前,也就是在copy_thread()函数中*childregs = *current_pt_regs();该句将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,
2. *childregs的类型为pt_regs,里面存放了SAVE ALL中压入栈的参数
3. 故在之后的RESTORE ALL中能顺利执行下去.

总结

1. 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
2. Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构.
3. 为了把内核中的所有进程组织起来，Linux提供了几种组织方式，其中哈希表和双向循环链表方式是针对系统中的所有进程（包括内核线程），而运行队列和等待队列是把处于同一状态的进程组织起来
4. fork()函数被调用一次，但返回两次

参考

1. dup_task_struct
2. Linux进程切换以及内核线程的返回值
3. kernel-book