Linux进程启动过程简析
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。
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