進程的描述和進程的創建
20135109 高藝桐
《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
一、進程的描述
1、1進程描述符task_struck數據結構（一）
（1）操作系統的三大功能：進程管理、內存管理、文件系統。
（2）
進程控制塊PCB——task_struck
tty_struck控制台
fs_struck文件系統的描述
files_struck打開的文件描述符
mm_struck內存的描述
signal_struck信號的描述
（3）操作系統原理中的狀態：就緒態、運行態、阻塞態
（4）
內核管理中的進程狀態：
TASK_TUNNING(可運行)獲得cpu控制權正在運行，被調度出去就是就緒態。
TASK_ZOMBIE(進程被終止)
TASK_interruotibie(阻塞態)
TASK_uninterruotibie(阻塞態)
（5）進程的標示符：pid（用來標識進程）
1、2進程描述符task_struck數據結構（二）
（1）state運行狀態（指定進程狀態）
（2）SMP條件編譯（多處理器時會用到）
（3）
struct list_head tasks進程的鏈表，雙向循環鏈表連接，鏈表可獨立進行操作
（4）每個進程有自己獨立的地址空間，32位x86有4G進程地址空間。
（5）pid_t pid標識一個進程
（6）
進程的父子關系：兄弟父子之間的關系通過雙向鏈表連接起來。
（7）CPU相關的狀態：thread_struct（sp、ip）進程上下文切換時期關鍵作用
（8）struct files_struct*files打開文件列表
（9）struck signal_struct *signal信號處理相關工作
二、進程的創建過程
2、1進程的創建概覽及fork一個進程的用戶態代碼
（1）（文件系統、信號、內存）進程描述符中有相應的指針指向其內容，進行研究。
（2）
進程是怎么創建的：復制一份進程描述符，0號進程用代碼寫死，1號進程復制0號進程pcb，根據1號進程需要修改pid，最后加一個init可執行程序。
（3）
子進程從哪里開始執行：shell命令行怎么創建子進程的？
fork（）用戶態進行創建子進程
fork系統調用在父進程和子進程各返回一次
（4）fork在子進程中返回值是父進程的ID
2、2理解進程創建過程復雜代碼的方法
（1）系統調用再回顧：
Int0x80是中斷指令，把用戶態堆棧轉化到內核態堆棧，把CPU最關鍵的現場eip、esp保存到內核堆棧中去。
（2）
子進程從哪里開始執行：fork（）出的子進程在內核中開始返回。創建一個進程的框架：復制一份進程描述符，0號進程用代碼寫死，1號進程復制0號進程pcb，根據1號進程需要修改pid，最后加一個init可執行程序。
（3）創建進程過程中要做哪些事情：修改pcb，建立鏈表，修改分配內核堆棧，保存進程執行到哪個位置，保存sp、ip（避免發生混亂），需要有thread設定eip和esp位置。
2、3瀏覽進程的創建過程相關的關鍵方法
（1）
創建新進程在內核中執行的過程：
復制一個PCB——task_struct
給新進程分配一個新的內核堆棧
更改復制過來的進程數據，比如pid，進程鏈表等
（2）系統調用內核處理函數：sys_fork、sys_clone、sys_vfork
（3）do_fork（）中包含的copy process創建一個進程內容的主要代碼
（4）arch dup_task_struct復制整個PCB（*dst=src*數據結構的值復制給dst）
（5）thread_info內核堆棧，創建一個頁面，比較大（分配內核堆棧空間）
（6）p指向子進程的描述符
（7）copy_thread從子進程的pid找到了棧底的地址，把sp賦值過去，對父進程的棧底進行拷貝，包括棧頂數據，thread ip的內容。
2、4創建的新進程是從哪里開始執行的
（1）子進程從哪里開始執行的：ret_from_fork
（2）
Int指令和SAVE_ALL壓到內核棧的內容。
（3）ret_from_fork 中的syscall_exit內核堆棧可正常返回到用戶態（子進程的進程空間）。
2、5使用gdb跟蹤創建新進程的過程
自己實驗截圖：
（1）把menu刪除，克隆一份新的，把test_fork.c覆蓋掉，編譯內核，可以看到fork命令
（2）設置斷點sys_clone，設置斷點do_fork，設置斷點dup_task_struck，設置斷點copy_process，設置斷點copy_thread，設置斷點ret_from_fork
（3）在MenuOS中執行fork，就會發現fork函數停在了父進程中
（4）繼續執行之后，停在了do_fork的位置
（5）按s進入該函數，可以看到dst = src（也就是復制父進程的struct）
（6）按n繼續追蹤
（7）在copy_thread中，可以看到把task_pg_regs(p)也就是內核堆棧特定的地址找到並初始化
三、實驗總結
通過本周的學習，我了解到了Linux通過clone（）系統調用實現fork（），fork（），vfork（），和clone（）庫函數都是根據各自需要的參數標志去調用clone（），然后由clone（）調用do_fork，其中do_fork函數調用了copy_process（）函數，然后讓進程執行 Linux通過復制父進程創建新進程，fork、vfork、clone都是通過do_exit實現進程的創建。
創建新進程的過程為：復制一個PCB——task_struct，給新進程分配一個新的內核堆棧，更改復制過來的進程數據，比如pid，進程鏈表等。子進程從ret_from_fork開始執行。