曹朋輝
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《Linux內(nèi)核分析》MOOC課程
內(nèi)核里操作系統(tǒng)的三大功能：
內(nèi)存管理
進程管理
文件系統(tǒng)
其中最核心的是進程管理
進程描述符task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
進程控制塊PCB——task_struct
為了管理進程，內(nèi)核必須對每個進程進行清晰的描述，進程描述符提供了內(nèi)核所需了解的進程信息。
struct task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很龐大
Linux進程的狀態(tài)與操作系統(tǒng)原理中的描述的進程狀態(tài)似乎有所不同，比如就緒狀態(tài)和運行狀態(tài)都是TASK_RUNNING，為什么呢？
進程的標(biāo)示pid
所有進程鏈表struct list_head tasks;
內(nèi)核的雙向循環(huán)鏈表的實現(xiàn)方法 - 一個更簡略的雙向循環(huán)鏈表
程序創(chuàng)建的進程具有父子關(guān)系，在編程時往往需要引用這樣的父子關(guān)系。進程描述符中有幾個域用來表示這樣的關(guān)系
Linux為每個進程分配一個8KB大小的內(nèi)存區(qū)域，用于存放該進程兩個不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Thread_info和進程的內(nèi)核堆棧
進程處于內(nèi)核態(tài)時使用，?不同于用戶態(tài)堆棧，即PCB中指定了內(nèi)核棧，那為什么PCB中沒有用戶態(tài)堆棧？用戶態(tài)堆棧是怎么設(shè)定的？
內(nèi)核控制路徑所用的堆棧?很少，因此對棧和Thread_info?來說，8KB足夠了
struct thread_struct thread; //CPU-specific state of this task
文件系統(tǒng)和文件描述符
內(nèi)存管理——進程的地址空間
task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1235-1644
task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總覽
linux進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
struct task_struct {
1236 volatile long state; 運行狀態(tài)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
1237 void *stack; 進程的內(nèi)核堆棧
1238 atomic_t usage;
1239 unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
1240 unsigned int ptrace;
#ifdef CONFIG_SMP 多處理器時會用到
1243 struct llist_node wake_entry;
1244 int on_cpu;
1245 struct task_struct *last_wakee;
1246 unsigned long wakee_flips;
1247 unsigned long wakee_flip_decay_ts;
1248
1249 int wake_cpu;
1250#endif
//下面一段和優(yōu)先級，調(diào)度相關(guān)
1251 int on_rq;
1252
1253 int prio, static_prio, normal_prio;
1254 unsigned int rt_priority;
1255 const struct sched_class *sched_class;
1256 struct sched_entity se;
1257 struct sched_rt_entity rt;
1258#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
1259 struct task_group *sched_task_group;
1260#endif
1261 struct sched_dl_entity dl;
1295 struct list_head tasks; 進程鏈表
1296#ifdef CONFIG_SMP
1297 struct plist_node pushable_tasks;
1298 struct rb_node pushable_dl_tasks;
1299#endif
1300
1301 struct mm_struct *mm, *active_mm; 內(nèi)存管理進程的地址空間相關(guān)
1302#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
1303 unsigned brk_randomized:1;
1304#endif
1305 /* per-thread vma caching */
1306 u32 vmacache_seqnum;
1307 struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE];
1308#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
1309 struct task_rss_stat rss_stat;
1310#endif
/* Revert to default priority/policy when forking */
1325 unsigned sched_reset_on_fork:1;
1326 unsigned sched_contributes_to_load:1;
1327
1328 unsigned long atomic_flags; /* Flags needing atomic access. */
1329
1330 pid_t pid; 進程的pid
1331 pid_t tgid;
1332
1333#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
1334 /* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
1335 unsigned long stack_canary;
1336#endif
//下面一段為進程的父子關(guān)系
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
1343 struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
1344 /*
1345 * children/sibling forms the list of my natural children
1346 */
1347 struct list_head children; /* list of my children */
1348 struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */
1349 struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */
1350
1351 /*
1352 * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
1353 * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
1354 * p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
1355 */
1356 struct list_head ptraced; 調(diào)試用的
1357 struct list_head ptrace_entry;
1358
1359 /* PID/PID hash table linkage. */
1360 struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; pid的哈希表 可以方便查找
1361 struct list_head thread_group;
1362 struct list_head thread_node;
1363
一下一段為時間相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
1369 cputime_t gtime;
1370#ifndef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_NATIVE
1371 struct cputime prev_cputime;
1372#endif
1373#ifdef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_GEN
1374 seqlock_t vtime_seqlock;
1375 unsigned long long vtime_snap;
1376 enum {
1377 VTIME_SLEEPING = 0,
1378 VTIME_USER,
1379 VTIME_SYS,
1380 } vtime_snap_whence;
1381#endif
1382 unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
1383 u64 start_time; /* monotonic time in nsec */
1384 u64 real_start_time; /* boot based time in nsec */
1385/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
1386 unsigned long min_flt, maj_flt;
1387
1388 struct task_cputime cputime_expires;
1389 struct list_head cpu_timers[3];
1390
/* process credentials */
1392 const struct cred __rcu *real_cred; /* objective and real subjective task
1393 * credentials (COW) */
1394 const struct cred __rcu *cred; /* effective (overridable) subjective task
1395 * credentials (COW) */
1396 char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
1397 - access with [gs]et_task_comm (which lock
1398 it with task_lock())
1399 - initialized normally by setup_new_exec */
1400/* file system info */
1401 int link_count, total_link_count;
1402#ifdef CONFIG_SYSVIPC
1403/* ipc stuff */
1404 struct sysv_sem sysvsem;
1405 struct sysv_shm sysvshm;
1406#endif
1407#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
1408/* hung task detection */
1409 unsigned long last_switch_count;
1410#endif
1411/* CPU-specific state of this task */
1412 struct thread_struct thread; 和當(dāng)前任務(wù)cpu相關(guān)的一些狀態(tài)，與之前my_kernelvs中自己定義的PCB相似，在進程切換時起著關(guān)鍵作用
1413/* filesystem information */
1414 struct fs_struct *fs; 文件系統(tǒng)
1415/* open file information */
1416 struct files_struct *files; 打開的文件描述符列表
1417/* namespaces */
1418 struct nsproxy *nsproxy;
1419/* signal handlers */
1420 struct signal_struct *signal; 信號處理相關(guān)
1421 struct sighand_struct *sighand;
1422
1423 sigset_t blocked, real_blocked;
1424 sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
1425 struct sigpending pending;
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");
}
}
創(chuàng)****建一個新進程在內(nèi)核中的執(zhí)行過程
fork、vfork和clone三個系統(tǒng)調(diào)用都可以創(chuàng)建一個新進程，而且都是通過調(diào)用do_fork來實現(xiàn)進程的創(chuàng)建；
Linux通過復(fù)制父進程來創(chuàng)建一個新進程，那么這就給我們理解這一個過程提供一個想象的框架：
復(fù)制一個PCB——task_struct
err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
要給新進程分配一個新的內(nèi)核堆棧
tsk->stack = ti;
setup_thread_stack(tsk, orig); //這里只是復(fù)制thread_info，而非復(fù)制內(nèi)核堆棧
要修改復(fù)制過來的進程數(shù)據(jù)，比如pid、進程鏈表等等都要改改吧，見copy_process內(nèi)部。
從用戶態(tài)的代碼看fork();函數(shù)返回了兩次，即在父子進程中各返回一次，父進程從系統(tǒng)調(diào)用中返回比較容易理解，子進程從系統(tǒng)調(diào)用中返回，那它在系統(tǒng)調(diào)用處理過程中的哪里開始執(zhí)行的呢？這就涉及子進程的內(nèi)核堆棧數(shù)據(jù)狀態(tài)和task_struct中thread記錄的sp和ip的一致性問題，這是在哪里設(shè)定的？copy_thread in copy_process
*childregs = *current_pt_regs(); //復(fù)制內(nèi)核堆棧
childregs->ax = 0; //為什么子進程的fork返回0，這里就是原因！
p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //調(diào)度到子進程時的內(nèi)核棧頂
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //調(diào)度到子進程時的第一條指令地址
創(chuàng)建進程的大致框架
復(fù)制父進程的PCB
修改復(fù)制的PCB
分配一個新的內(nèi)核堆棧
copy原來的內(nèi)核堆棧
創(chuàng)建進程調(diào)用do_fork
do_fork中用copy_process包含創(chuàng)建一個進程的主要代碼
