从整理上理解进程创建、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

学号243，原创作品转载请注明出处
实验内容来源 ： https://github.com/mengning/linuxkernel/

实验内容

• 阅读理解task_struct数据结构 http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/include/linux/sched.h#1235；
• 分析fork函数对应的内核处理过程do_fork，理解创建一个新进程如何创建和修改task_struct数据结构；
• 使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数do_fork ，验证您对Linux系统创建一个新进程的理解,特别关注新进程是从哪里开始执行的？为什么从那里能顺利执行下去？即执行起点与内核堆栈如何保证一致。
• 理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式；
• 编程使用exec*库函数加载一个可执行文件，动态链接分为可执行程序装载时动态链接和运行时动态链接；
• 使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数do_execve ，验证您对Linux系统加载可执行程序所需处理过程的理解；
• 特别关注新的可执行程序是从哪里开始执行的？为什么execve系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行？对于静态链接的可执行程序和动态链接的可执行程序execve系统调用返回时会有什么不同？
• 理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确；
• 使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；
• 特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系；

实验环境

VMWare pro ,Ubuntu18

实验步骤

1.阅读理解Task-struct数据结构

首先什么是进程？

• 进程是程序的一个执行的实例；
• 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操作系统下这就是task_struct结构 ，所属的头文件#include <sched.h>每个进程都会被分配一个task_struct结构，它包含了这个进程的所有信息，在任何时候操作系统都能够跟踪这个结构的信息.

2.分析fork函数和内核处理过程do_fork

Linux中创建进程一共有三个函数

• fork，创建子进程

• vfork，与fork类似，但是父子进程共享地址空间，而且子进程先于父进程运行。

• clone，主要用于创建线程

do_fork代码如下：

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 = PTR_ERR(p);
    }
    return nr;
}

do_fork处理了以下内容：
调用copy_process，将当期进程复制一份出来为子进程，并且为子进程设置相应地上下文信息。
初始化vfork的完成处理信息（如果是vfork调用）
调用wake_up_new_task，将子进程放入调度器的队列中，此时的子进程就可以被调度进程选中，得以运行。
如果是vfork调用，需要阻塞父进程，知道子进程执行exec。

3.使用gdb跟踪分析一个fork系统调用过程

1. 使用内核5.0启动Menu OS

cd LinuxKernel   
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c

2. 进入gdb调试

int Fork(int argc, char *argv[])
{
	int pid;
	/* fork another process */
	pid = fork();
	if (pid<0) 
	{ 
		/* error occurred */
		fprintf(stderr,"Fork Failed!");
		exit(-1);
	} 
	else if (pid==0) 
	{
		/*	 child process 	*/
    printf("This is child Process!,my PID is %d\n",pid);
	} 
	else 
	{ 	
		/* 	parent process	 */
    printf("THis is parent process!,my process is %d\n",pid);
		/* parent will wait for the child to complete*/
		wait(NULL);
		printf("Child Complete!\n");
	}
}

编译

cd LinuxKernel   
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs

设置断点

b sys_clone
 b _do_fork
 b dup_task_struct
 b copy_process

运行结果

4.理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式

       ELF文件由4部分组成，分别是ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）。实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且他们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息由ELF头中的各项值来决定。
       ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20190324210519796.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2J5bGZzag==,size_16,color_FFFFFF,t_70)

动态链接库(Dynamic Linked Library)：
Windows为应用程序提供了丰富的函数调用，这些函数调用都包含在动态链接库中。其中有3个最重要的DLL，Kernel32.dll，它包含用于管理内存、进程和线程的各个函数；User32.dll，它包含用于执行用户界面任务(如窗口的创建和消息的传送)的各个函数；GDI32.dll，它包含用于画图和显示文本的各个函数。

静态库(Static Library)：
函数和数据被编译进一个二进制文件(通常扩展名为.LIB)。在使用静态库的情况下，在编译链接可执行文件时，链接器从库中复制这些函数和数据并把它们和应用程序的其它模块组合起来创建最终的可执行文件(.EXE文件)。

5.理解Linux系统中的进程调度的时机和schedule函数，并用gdb跟踪分析

在原fork函数上添加命令

execlp("/bin/ls",“ls”,NULL);

重新编译

6.分析schedule()的汇编代码

schedule主要完成的工作内容如下：
（1）sched_submit_work用于检测当前进程是否有plugged io需要处理，由于当前进程执行schedule后，有可能会进入休眠，所以在休眠之前需要把plugged io处理掉放置死锁。
（2）执行__schedule()这个函数是调度的核心处理函数，当前CPU会选择到下一个合适的进程去执行了。
（3）need_resched()执行到这里时说明当前进程已经被调度器再次执行了，此时要判断是否需要再次执行调度。

总结

• 通过系统调用，用户空间的应用程序就会进入内核空间，这就涉及到上下文的切换
• 用户空间和内核空间具有不同的地址映射以及通用或专用的寄存器组，而用户空间的进程要传递很多变量、参数给内核，内核也要保存用户进程的一些寄存器、变量等，以便系统调用结束后回到用户空间继续执行
• 所谓的进程上下文，就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容
• 当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行.

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