Linux 进程管理浅析

浏览数：36 / 时间：2015年06月20日

刘柳 + 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/[email protected]

进程的描述

ulk那个大图 for task_struct

提纲挈领，看代码前总览

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序言进程控制块PCB——task_struct

为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。


struct task_struct数据结构很庞大

Linux进程的状态与操作系统原理中的描述的进程状态似乎有所不同，比如就绪状态和运行状态都是TASK_RUNNING，为什么呢？
A66：取决于是否获得cpu的控制权

进程的标示pid

每个进程唯一的标示

调度相关的

核心关键词有：
runqueue
优先级
抢占
调度信息


struct task_struct {

...
    int on_rq;

    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;
...
    struct sched_dl_entity dl;

...

    unsigned int policy;
    int nr_cpus_allowed;
    cpumask_t cpus_allowed;

#ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU
    int rcu_read_lock_nesting;
    union rcu_special rcu_read_unlock_special;
    struct list_head rcu_node_entry;
#endif /* #ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU */

#ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU
    struct rcu_node *rcu_blocked_node;
#endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */
#ifdef CONFIG_TASKS_RCU
    unsigned long rcu_tasks_nvcsw;
    bool rcu_tasks_holdout;
    struct list_head rcu_tasks_holdout_list;
    int rcu_tasks_idle_cpu;
#endif /* #ifdef CONFIG_TASKS_RCU */

#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
    struct sched_info sched_info;
#endif

...
}

所有进程链表struct list_head tasks;

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内核的双向循环链表的实现方法 - 一个更简略的双向循环链表

独立操作
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父子关系

程序创建的进程具有父子关系，在编程时往往需要引用这样的父子关系。进程描述符中有几个域用来表示这样的关系

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/*
     * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
     * older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with
     * p->real_parent->pid)
     */
    struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
    struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
    /*
     * children/sibling forms the list of my natural children
     */
    struct list_head children;  /* list of my children */
    struct list_head sibling;   /* linkage in my parent‘s children list */
    struct task_struct *group_leader;   /* threadgroup leader */

mm_struct

非本章重点，待后面章节展开，
linux进程的地址空间，是个有趣的话题

cpu相关

与我们menuos相关的，注意其中sp/ip指针。

struct thread_struct {
    /* Cached TLS descriptors: */
    struct desc_struct  tls_array[GDT_ENTRY_TLS_ENTRIES];

    unsigned long       sp0;
    unsigned long       sp;

#ifdef CONFIG_X86_32
    unsigned long       sysenter_cs;
#else
    unsigned long       usersp; /* Copy from PDA */
    unsigned short      es;
    unsigned short      ds;
    unsigned short      fsindex;
    unsigned short      gsindex;
#endif

#ifdef CONFIG_X86_32
    unsigned long       ip;
#endif
...
}

至此，400行左右的task_struct大致介绍到此

内存区域

? Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程的内核堆栈

? 进程处于内核态时使用，不同于用户态堆栈，即PCB中指定了内核栈，那为什么PCB中没有用户态堆栈？用户态堆栈是怎么设定的？

? 内核控制路径所用的堆栈很少，因此对栈和Thread_info来说，8KB足够了

? struct thread_struct thread;?//CPU-specific state of this task

? 文件系统和文件描述符

内存管理——进程的地址空间

不深入mmu

二. 进程的创建

回顾

start_kernel —>
kernel_init —>
kthreadd

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();//核心调用
    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");
    }
}

系统调用回顾

不仅仅是调用一个fork

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int 0x80和iret的一个配合

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试问fork进程的来源？我们来看下文

创建一个新进程在内核中的执行过程（sys_clone–>do_fork)

fork、vfork和clone三个系统调用都可以创建一个新进程，而且都是通过调用do_fork来实现进程的创建；

Linux通过复制父进程来创建一个新进程，那么这就给我们理解这一个过程提供一个想象的框架：

复制一个PCB——task_struct

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

要给新进程分配一个新的内核堆栈

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);
tsk->stack = ti;
setup_thread_stack(tsk, orig); //这里只是复制thread_info，而非复制内核堆栈

要修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等都要改改吧，见copy_process内部。
从用户态的代码看fork();函数返回了两次，即在父子进程中各返回一次，父进程从系统调用中返回比较容易理解，子进程从系统调用中返回，那它在系统调用处理过程中的哪里开始执行的呢？这就涉及子进程的内核堆栈数据状态和task_struct中thread记录的sp和ip的一致性问题，这是在哪里设定的？copy_thread in copy_process

进程数据的修改

*childregs = *current_pt_regs(); //复制内核堆栈
childregs->ax = 0; //为什么子进程的fork返回0，这里就是原因！

p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

代码情景分析

fork.c
do_fork –>copy_process–>dup_task_struct

dup_task_struct

 {
   alloc_task_sturct //slab管理 task_stuct...
   alloc_thread_info //keme_pages
   stack

   }

copy_thread

do_fork –>copy_process–>dup_task_struct
—>子进程初始化（很多）–>copy_thread

copy_thread{
sp指针
内核堆栈数据拷贝(重点展开）

}

附图
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  childregs->ax=0;

这里看到返回值(pid)赋值的位置

子进程启动位置

本质原因是ret_from_fork

先展开pt_regs内容，这也是int指令和save_all压到堆栈的内容

struct pt_regs {
    long ebx;
    long ecx;
    long edx;
    long esi;
    long edi;
    long ebp;
    long eax;
    int  xds;
    int  xes;
    int  xfs;
    int  xgs;
    long orig_eax;
    long eip;
    int  xcs;
    long eflags;
    long esp;
    int  xss;
};

以系统调用位列，ax为调用号。

展开ret_from_fork

ENTRY(ret_from_fork)


    movi    a4, schedule_tail
    callx4  a4

    movi    a4, do_syscall_trace_leave
    mov a6, a1
    callx4  a4

    j   common_exception_return

ENDPROC(ret_from_fork)
...

展开syscall_exit

syscall_exit:
    LOCKDEP_SYS_EXIT
    DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don‘t miss an interrupt
                    # setting need_resched or sigpending
                    # between sampling and the iret
    TRACE_IRQS_OFF
    movl TI_flags(%ebp), %ecx
    testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work
    jne syscall_exit_work

restore_all:
    TRACE_IRQS_IRET

以后的流程其实就是上节课的内容啦

子进程返回用户台之前会发生系统调用吗？

个人认为，会。
原因从下面这个图(ULK)就可以说明。

三.动手实验

rm menu
git clone
mv test_fork.c test.c
make rootfs

now, enjoy the work see the “fork”

the information to debug

sys_clone
do_fork
dup_task_struct
copy_process
copy_thread
ret_from_fork (*)

the result of debugging

- copy_process
  alloc_thread_info
  arc_dup_task_struct

  setup_thread_stack
- copy_thread
  childregs //ptype
  current_pt_regs()//前后堆栈变化
  ip
- ret_from_fork 
   //step by step
  不跟踪schedule,continue

- syscall_exit (直到这个位置）