Linux操作系统进程管理与调度算法实现（1）

转载于 2025-12-01 17:44:13 发布 · 15 阅读

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1. main函数之前的事情

在终端执行C/C++程序，终端将调用execve函数执行程序。

filename —— 表示可执行文件
argv —— 表示参数
envp —— 表示环境变量

构建一个进程，然后执行。

#include <unistd.h>
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

1）首先是构造linux_binprm对象

mm是mm_struct对象
- pgd是新进程的页表，mm_alloc_pgd申请储存页表的空间，然后拷贝内核页表内容
vma是栈空间，最大8MB，初始时4KB
p指向栈顶，初始时指向vm_end - sizeof(void*)位置处

将filename、env和argv写入到栈中。

2）然后调用load_elf_binary()函数加载ELF文件，初始化进程虚拟内存空间

begin_new_exec：设置新的mm_struct数据结构，刷新页表
setup_new_exec：设置mmap_base位置
setup_arg_pages：随机化stack_top位置

3）最后调用start_thread()函数，修改ip和sp寄存器的值，开始执行_start()函数，开始main()函数执行

#define START_THREAD(elf_ex, regs, elf_entry, start_stack)    \
    start_thread(regs, elf_entry, start_stack)

void
start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)
{
    start_thread_common(regs, new_ip, new_sp,
                __USER_CS, __USER_DS, 0);
}

2. 进程 vs 线程

Linux并没有区分进程和线程，两者没有差别，统一是task，使用task_struct描述。

thread_info和thread记录和架构相关的task信息
stack内核栈，默认大小16KB，stack_vm_area表示使用vmalloc分配的内核栈内存区域
mm记录虚拟内存
fs和files分别表示文件系统和打开的文件
signal表示信号

Linux也没有提供创建进程和线程的系统调用，fork/vfork/clone统一调用kernel_clone()函数创建一个task。

clone_flags控制了创建task时，父子task可以共享的资源。

CLONE_VM：虚拟地址空间
CLONE_FS：文件系统
CLONE_FILES：打开的文件
CLONE_SIGHAND：信号以及处理handler

当调用pthread_create()函数创建一个线程时，使用的clone_flags如下：

 const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM
               | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD
               | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID
               | CLONE_CHILD_CLEARTID
               | 0);

当使用CLONE_VM时，copy_mm()函数直接使用父进程的mm；否则调用dup_mm复制父进程的虚拟内存空间：遍历每个vma，复制页表：

static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
// ...
    if (clone_flags & CLONE_VM) {
        mmget(oldmm);
        mm = oldmm;
    } else {
        mm = dup_mm(tsk, current->mm);
        if (!mm)
            return -ENOMEM;
    }

    tsk->mm = mm;
    tsk->active_mm = mm;
    sched_mm_cid_fork(tsk);
    return 0;
}

如果支持COW，父进程和子进程的页表被设置位写保护wrprotect。

对对应的page执行写操作会触发缺页中断，do_cow_fault()函数会处理这类缺页中断。

另外，pthread_create传入了newsp表示线程用户空间的栈空间（pthread使用mmap分配的内存）。

在运行子进程前，内核栈空间构造了fork_frame对象。

struct fork_frame {
    struct inactive_task_frame frame;
    struct pt_regs regs;
};

pt_regs::bp指向线程栈空间，子进程运行ret_from_fork_asm()返回用户空间，使用newsp线程栈空间。

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