聊聊Linux内核创建新进程

最新推荐文章于 2024-11-27 10:49:16 发布

p222p

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分类专栏： Linux，系统调用，进程创建，c语言文章标签： linux 系统调用进程创建进程调度 pcb

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/p222p/article/details/68486868

Linux，系统调用，进程创建，c语言专栏收录该内容

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本文介绍了Linux操作系统中的进程概念及其五种状态，详细解析了通过fork系统调用来创建新进程的过程，包括软中断、堆栈切换、相关寄存器保存及执行地址跳转等关键步骤。

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程序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

计算机是一种精密的仪器，有一点错误都是不能成功执行的，计算机软件是靠一个个程序组成的，而程序又是一系列指令所组成。通过执行这样的一条条指令，计算机就能完成一个个任务了。

这里有两个概念比较容易混淆，平时我们在学习计算机的时候也是这样，那就是进程和程序的区别，这也是这篇博客的主要内容，进程。简单点讲，进程就是程序的动态执行，是一个运行起来的程序。

Linux其中一个重要的功能就是管理各种状态的进程，包括创建进程、管理进程、调度进程等一系列操作，正是由于有这些操作，才发挥了系统强大的能力。首先我们一起来熟悉一下进程。一般来说，进程都要经历3个状态，分别是就绪态、阻塞态、运行态。但是Linux操作系统将进程的状态进行了进一步划分，分为运行态、不可中断阻塞状态、可中断阻塞状态、挂起状态、僵尸状态5个状态。它们的具体含义是：

运行状态：当进程正在被CPU执行，或处于就绪状态，则称进程处于运行状态。

可中断睡眠状态：进程处于阻塞状态，系统不会调度其运行。

暂停状态：进程收到有关信号就会进入暂停状态，可用SIGCONT进行唤醒

僵死状态：进程停止运行

不可中断睡眠状态：使用wake_up()函数明确唤醒时才能转换到可运行的就绪状态。

图1.进程的5种运行状态

图2.进程之间的转换

有了这些基础知识，然后我们就可以开始进行创建新进程的分析了。首先，我们接触到一个系统调用函数fork，调用这个函数的时候，系统将会从用户态到内核态的切换。那么在程序中调用系统调用fork需要经过哪些步骤呢？目前主要有这么几个步骤：

1. 调用fork这个系统调用，首先是软中断，堆栈切换到内核堆栈，保存相应的寄存器，进行执行地址的跳转。

2. 查询相关的中断向量表，找到中断向量表中的函数名称，这里fork对应的函数名称是sys_clone函数。

3. 执行sys_clone，这个函数不是直接执行，而是都会执行一个do_fork函数，产生一个新的的进程。

下面是do_fork()的解释

do_fork()
{
    copy_process(....){  //复制进程相关信息
         dup_tusk_struct(current){  //复制PCB
         alloc_task_struct_node()  //相关PCB指针赋值
         arch_dup_task_struct()
         alloc_thread_info_node()  //创建8KB大小的内存空间放置stack以及thread_info,返回stack起始地址ti
         setup_thread_info()  //初始化thread_info
                                    }
      
    retval=copy_thread(P)   //设置新进程的起始地址,新进程的内核堆栈           
                               }
}

下面是copy_thread()的代码解释

copy_thread()              
           p->thread.ip=ret_from_fork         //入口地址
           p->thread.sp=childregs             //将新进程的内核堆栈指向
           childregs=current_pt_regs          //拷贝父进程内核堆栈数据
            childregs->sp=sp;                   //将拷贝的sp设置为传入的sp

此时子进程的内核堆栈如下:

          stack(ti),childregs           :  current_pt_regs   复制
                      ax=0;                   修改ax
                      sp=sp;                  修改sp

最后再进行一下跳转，并将所有子进程压入栈中的数据进行弹出，这样子进程的所有数据都有了，就可以自己运行了。

说了这么多理论，下面来开始我们的实验，进行一下验证。

图3.首先在test.c文件中写入Fork函数

图4.导入相应的执行命令

图5.编译运行

图6.编译运行完的结果，证明新进程已经建立

图7.调试模式启动

图8.在相应的执行行上打印上断点，主要针对fork功能打断点

图9.调试过程中

总结：fork创建子进程也是一种特殊的系统调用，在执行这个系统调用之前，要进行保护现场操作，也就是要对有关寄存器的值进行存储，当新进程创建完成以后可以回到此处继续执行。在保护好现场以后，就是查找sys_call_table里面的有关信息，这样就能根据调用号来找到相应的入口地址。再通过函数入口地址来进行处理，处理过程也是拷贝父进程的有关信息，然后加上自己独特的信息，这就构成新的进程，这也是fork的整个工作流程。