2018-2019-1 20189215 《Linux核心原理與分析》第七週作業
阿新 • • 發佈：2018-11-25
《庖丁解牛》第六章書本知識總結
- 作業系統內個實現作業系統的三大管理功能：程序管理、記憶體管理、檔案系統。分別對應《作業系統原理》中最重要的3個抽象概念是程序、虛擬記憶體和檔案。
- Linux中的程序描述符
struct task_struct就是PCB程序控制塊。 - Linux核心管理的程序狀態轉換圖
- 程序描述符
struct task_struct記錄了當前程序的父程序real_parent、parent。 - 雙向連結串列
struct list_head children記錄當前程序的子程序。 - 雙向連結串列
struct list_head sibling記錄當前程序的兄弟程序。 fork系統呼叫建立了一個子程序，子程序複製了父程序中所有的程序資訊，包括核心堆疊、程序描述符等，子程序作為一個獨立的程序也會被排程。fork、vfork、clone系統呼叫和kernel_thread核心函式都可以建立一個新程序，而且都是通過do_fork函式來建立程序的，只不過傳遞的引數不同。- fork一個子程序的過程中，複製父程序的資源時採用了Copy On Write（寫時複製）技術，不需要修改程序資源，父子程序是共享記憶體儲存空間的。
do_fork主要完成了呼叫copy_process()複製父程序資訊、獲得pid、呼叫wake_up_new_task將子程序加入排程器佇列等待獲得分配CPU資源執行、通過clone_flags標誌做一些輔助工作。
do_fork程式碼：
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; // ... // 複製程序描述符，返回建立的task_struct的指標 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); // 取出task結構體內的pid pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID); nr = pid_vnr(pid); if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID) put_user(nr, parent_tidptr); // 如果使用的是vfork，那麼必須採用某種完成機制，確保父程序後執行 if (clone_flags & CLONE_VFORK) { p->vfork_done = &vfork; init_completion(&vfork); get_task_struct(p); } // 將子程序新增到排程器的佇列，使得子程序有機會獲得CPU wake_up_new_task(p); // ... // 如果設定了 CLONE_VFORK 則將父程序插入等待佇列，並掛起父程序直到子程序釋放自己的記憶體空間 // 保證子程序優先於父程序執行 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; }
copy_process函式主要完成課呼叫dup_task_struct複製當前程序（父程序）描述符task_struct、資訊檢查、初始化、把程序狀態設定為TASK_RUNNING（此時子程序置為就緒態）、採用寫時複製技術逐一複製所有其他程序資源、呼叫copy_thread初始化子程序核心棧、設定子程序pid等。
copy_process程式碼：
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;
...
retval = security_task_create(clone_flags);//安全性檢查
...
p = dup_task_struct(current); //複製PCB,為子程序建立核心棧、程序描述符
ftrace_graph_init_task(p);
···
retval = -EAGAIN;
// 檢查該使用者的程序數是否超過限制
if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
// 檢查該使用者是否具有相關許可權，不一定是root
if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
!capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
goto bad_fork_free;
}
...
// 檢查程序數量是否超過 max_threads，後者取決於記憶體的大小
if (nr_threads >= max_threads)
goto bad_fork_cleanup_count;
if (!try_module_get(task_thread_info(p)->exec_domain->module))
goto bad_fork_cleanup_count;
...
spin_lock_init(&p->alloc_lock); //初始化自旋鎖
init_sigpending(&p->pending); //初始化掛起訊號
posix_cpu_timers_init(p); //初始化CPU定時器
···
retval = sched_fork(clone_flags, p); //初始化新程序排程程式資料結構，把新程序的狀態設定為TASK_RUNNING,並禁止核心搶佔
...
// 複製所有的程序資訊
shm_init_task(p);
retval = copy_semundo(clone_flags, p);
...
retval = copy_files(clone_flags, p);
...
retval = copy_fs(clone_flags, p);
...
retval = copy_sighand(clone_flags, p);
...
retval = copy_signal(clone_flags, p);
...
retval = copy_mm(clone_flags, p);
...
retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
...
retval = copy_io(clone_flags, p);
...
retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);// 初始化子程序核心棧
...
//若傳進來的pid指標和全域性結構體變數init_struct_pid的地址不相同，就要為子程序分配新的pid
if (pid != &init_struct_pid) {
retval = -ENOMEM;
pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
if (!pid)
goto bad_fork_cleanup_io;
}
...
p->pid = pid_nr(pid); //根據pid結構體中獲得程序pid
//若 clone_flags 包含 CLONE_THREAD標誌，說明子程序和父程序在同一個執行緒組
if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
p->exit_signal = -1;
p->group_leader = current->group_leader; //執行緒組的leader設為子程序的組leader
p->tgid = current->tgid; //子程序繼承父程序的tgid
} else {
if (clone_flags & CLONE_PARENT)
p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
else
p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
p->group_leader = p; //子程序的組leader就是它自己
p->tgid = p->pid; //組號tgid是它自己的pid
}
...
if (likely(p->pid)) {
ptrace_init_task(p, (clone_flags & CLONE_PTRACE) || trace);
init_task_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
if (thread_group_leader(p)) {
...
// 將子程序加入它所在組的雜湊連結串列中
attach_pid(p, PIDTYPE_PGID);
attach_pid(p, PIDTYPE_SID);
__this_cpu_inc(process_counts);
} else {
...
}
attach_pid(p, PIDTYPE_PID);
nr_threads++; //增加系統中的程序數目
}
...
return p; //返回被建立的子程序描述符指標P
...
}clone, fork, vfork區別與聯絡
系統呼叫服務例程sys_clone, sys_fork, sys_vfork三者最終都是呼叫do_fork函式完成。
do_fork的引數與clone系統呼叫的引數類似，不過多了一個regs(核心棧儲存的使用者模式暫存器).，實際上其他的引數也都是用regs取的。
- 具體實現的引數不同
- clone:
clone的API外衣, 把fn, arg壓入使用者棧中, 然後引發系統呼叫. 返回使用者模式後下一條指令就是fn.
sysclone: parent_tidptr, child_tidptr都傳到了 do_fork的引數中
sysclone: 檢查是否有新的棧, 如果沒有就用父程序的棧 (開始地址就是regs.esp)- fork, vfork:
服務例程就是直接呼叫do_fork, 不過引數稍加修改
clone_flags:
sys_fork: SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
sys_vfork: CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
使用者棧: 都是父程序的棧.
parent_tidptr, child_ctidptr都是NULL.
實驗：分析Linux核心建立一個新程序的過程
本次實驗中使用的
fork命令是用sys_clone系統呼叫實現的，因此斷點設定在sys_clone。
本次實驗通過實踐，除錯應按照以下順序進行。
- 配置好menuos，使用
fork命令
- 先設定sys_clone斷點
- 執行到sys_clone後，設定其它斷點`
- 進入do_fork函式
- 在do_fork函式中會呼叫copy_process
- 在copy_process中呼叫dup_task_struct
- 在copy_process中呼叫copy_thread
- 子程序ret
實驗過程流程圖
