理解进程创建、可执行文件的加载和进程执行进程切换，重点理解分析fork、execve和进程切换

最新推荐文章于 2022-03-22 19:32:52 发布

原创

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这篇博客详细探讨了Linux系统中进程的创建，包括fork函数的内核处理过程、execve系统调用在加载可执行文件中的作用，以及进程切换的原理。通过分析task_struct数据结构、do_fork和do_execve的内核代码，揭示了进程创建、执行和调度的内在机制。此外，还介绍了动态链接和静态链接的区别，并通过gdb跟踪分析加深了对进程调度和上下文切换的理解。

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学号 181

本次实验从整体上理解进程创建、可执行文件的加载和进程执行进程切换，重点理解分析fork、execve和进程切换

一、阅读理解task_struct数据结构

代码链接

1.什么是进程

进程是程序的一个执行实例
进程是正在执行的程序
进程是能分配处理器并由处理器执行的实体

为了管理进程，操作系统必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述，为此，操作系统使用数据结构来代表处理不同的实体，这个数据结构就是通常所说的进程描述符或进程控制块（PCB）
在Linux中,task_struct其实就是通常所说的PCB。该结构定义位于:

/include/linux/sched.h

2.操作系统的三大功能

进程管理
内存管理
文件系统

3.进程控制块PCB——task_struct

进程在TASK_RUNNING下是可运行的，但它有没有运行取决于它有没有获得cpu的控制权，即这个进程有没有在cpu上实际的执行
进程的标示pid
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

4.重要参数

volatile long state;//表示进程的当前状态:
unsigned long flags;  //进程标志:
long priority;  //进程优先级。 Priority的值给出进程每次获取CPU后可使用的时间(按jiffies计)。优先级可通过系统调用sys_setpriorty改变(在kernel/sys.c中)。
long counter;  //在轮转法调度时表示进程当前还可运行多久。
unsigned long policy;  //该进程的进程调度策略，可以通过系统调用sys_sched_setscheduler()更改(见kernel/sched.c)。

二、分析fork函数对应的内核处理过程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；
具体过程如下：fork() -> sys_clone() -> do_fork() -> dup_task_struct() -> copy_process() -> copy_thread() -> ret_from_fork()

1.分析do_fork代码

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;

    // ...

    // 复制进程描述符，返回创建的task_struct的指针
    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结构体内的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，那么必须采用某种完成机制，确保父进程后运行
        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
            get_task_struct(p);
        }

        // 将子进程添加到调度器的队列，使得子进程有机会获得CPU
        wake_up_new_task(p);

        // ...

        // 如果设置了 CLONE_VFORK 则将父进程插入等待队列，并挂起父进程直到子进程释放自己的内存空间
        // 保证子进程优先于父进程运行
        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