從應用到內核，分析top命令顯示的進程名包含中括號"[]"的含義

背景

在執行top/ps命令的時候，在COMMAND一列，我們會發現，有些進程名被[]括起來了，例如

  PID  PPID USER     STAT   VSZ %VSZ %CPU COMMAND
 1542   928 root     R     1064   2%   5% top
    1     0 root     S     1348   2%   0% /sbin/procd
  928     1 root     S     1060   2%   0% /bin/ash --login
  115     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/u4:2]
    6     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/u4:0]
    4     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/0:0]
  697     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/1:3]
  703     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/0:3]
   15     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/1:0]
   27     2 root     SW       0   0%   0% [kworker/1:1]

本文除了探索top中[]的含義外，更重要的是，我們如何從僅有的信息定位到問題？

從應用代碼到內核代碼，授人以魚不如授人以漁，你覺得呢？

對分析過程不感興趣的童鞋，可以直接跳轉到結論

應用代碼邏輯分析

關鍵字：COMMAND

獲取busybox的源碼后，試試簡單粗暴的檢索關鍵字

[GMPY@12:22 busybox-1.27.2]$grep "COMMAND" -rnw *

結果發現，太多匹配的數據

applets/usage_pod.c:79:	printf("=head1 COMMAND DESCRIPTIONS\n\n");
archival/cpio.c:100:      --rsh-command=COMMAND  Use remote COMMAND instead of rsh
docs/BusyBox.html:1655:<p>which [COMMAND]...</p>
docs/BusyBox.html:1657:<p>Locate a COMMAND</p>
docs/BusyBox.txt:93:COMMAND DESCRIPTIONS
docs/BusyBox.txt:112:        brctl COMMAND [BRIDGE [INTERFACE]]
docs/BusyBox.txt:612:    ip  ip [OPTIONS] address|route|link|neigh|rule [COMMAND]
docs/BusyBox.txt:614:        OPTIONS := -f[amily] inet|inet6|link | -o[neline] COMMAND := ip addr
docs/BusyBox.txt:1354:        which [COMMAND]...
docs/BusyBox.txt:1356:        Locate a COMMAND
......

此時我發現，第一次匹配時因為存在大量非源碼文件，所以顯得很多，那么我能不能只檢索C文件呢？

[GMPY@12:25 busybox-1.27.2]$find -name "*.c" -exec grep -Hn --color=auto "COMMAND" {} \;

這次結果只有71行，簡單掃了下匹配的文件，有個有意思的發現

......
./shell/ash.c:9707:			if (cmdentry.u.cmd == COMMANDCMD) {
./editors/vi.c:1109:	// get the COMMAND into cmd[]
./procps/lsof.c:31: * COMMAND    PID USER   FD   TYPE             DEVICE     SIZE       NODE NAME
./procps/top.c:626:		" COMMAND");
./procps/top.c:701:		/* PID PPID USER STAT VSZ %VSZ [%CPU] COMMAND */
./procps/top.c:841:	strcpy(line_buf, HDR_STR " COMMAND");
./procps/top.c:854:		/* PID VSZ VSZRW RSS (SHR) DIRTY (SHR) COMMAND */
./procps/ps.c:441:	{ 16                 , "comm"  ,"COMMAND",func_comm  ,PSSCAN_COMM    },
......

在busybox中，每一個命令都是單獨一個文件，這代碼邏輯結構好，我們直接進入procps/top.c文件626行

函數：display_process_list

procps/top.c的626行屬於函數display_process_list，簡單看一下代碼邏輯

static NOINLINE void display_process_list(int lines_rem, int scr_width)
{
	......
	/* 打印表頭 */
	printf(OPT_BATCH_MODE ? "%.*s" : "\033[7m%.*s\033[0m", scr_width,
		"  PID  PPID USER     STAT   VSZ %VSZ"
		IF_FEATURE_TOP_SMP_PROCESS(" CPU")
		IF_FEATURE_TOP_CPU_USAGE_PERCENTAGE(" %CPU")
		" COMMAND");

	......
	/* 遍歷每一個進程對應的描述 */
	while (--lines_rem >= 0) {
		if (s->vsz >= 100000)
			sprintf(vsz_str_buf, "%6ldm", s->vsz/1024);
		else
			sprintf(vsz_str_buf, "%7lu", s->vsz);
		/*打印每一行中除了COMMAND之外的信息，例如PID，USER，STAT等 */
		col = snprintf(line_buf, scr_width,
				"\n" "%5u%6u %-8.8s %s%s" FMT
				IF_FEATURE_TOP_SMP_PROCESS(" %3d")
				IF_FEATURE_TOP_CPU_USAGE_PERCENTAGE(FMT)
				" ",
				s->pid, s->ppid, get_cached_username(s->uid),
				s->state, vsz_str_buf,
				SHOW_STAT(pmem)
				IF_FEATURE_TOP_SMP_PROCESS(, s->last_seen_on_cpu)
				IF_FEATURE_TOP_CPU_USAGE_PERCENTAGE(, SHOW_STAT(pcpu))
		);
		/* 關鍵在這，讀取cmdline */
		if ((int)(col + 1) < scr_width)
			read_cmdline(line_buf + col, scr_width - col, s->pid, s->comm);
		......
	}
}

剔除無關代碼后，函數邏輯就清晰了

1. 在此函數之前的代碼中已經遍歷了所有進程，並構建了描述結構體
2. 在display_process_list中遍歷描述結構體，並按規定順序打印信息
3. 通過read_cmdline，獲取並打印進程名

我們進入到函數read_cmdline

函數：read_cmdline

void FAST_FUNC read_cmdline(char *buf, int col, unsigned pid, const char *comm)
{
	......
	sprintf(filename, "/proc/%u/cmdline", pid);
	sz = open_read_close(filename, buf, col - 1);
	if (sz > 0) {
		......
		while (sz >= 0) {
			if ((unsigned char)(buf[sz]) < ' ')
				buf[sz] = ' ';
			sz--;
		}
		......
		if (strncmp(base, comm, comm_len) != 0) {
			......
			snprintf(buf, col, "{%s}", comm);
			......
	} else {
		snprintf(buf, col, "[%s]", comm ? comm : "?");
	}
}

剔除無關代碼后，我發現

1. 通過/proc/<PID>/cmdline獲取進程名
2. 如果/proc/<PID>/cmdline為空時，則使用comm，此時用[]括起來
3. 如果cmdline的basename與comm不一致，則用{}括起來

為了方便閱讀，不再展開分析cmdline和comm。

我們把問題聚焦在，什么情況下，/proc/<PID>/cmdline為空？

內核代碼邏輯分析

關鍵字：cmdline

/proc掛載的是proc，一種特殊的文件系統，cmdline也肯定是其特有的功能，

假設我們是內核小白，此時我們可以做的就是 在內核proc源碼中檢索關鍵字cmdline

[GMPY@09:54 proc]$cd fs/proc && grep "cmdline" -rnw *

發現有兩個關鍵的匹配文件 base.c 和 cmdline.c

array.c:11: * Pauline Middelink :  Made cmdline,envline only break at '\0's, to
base.c:224:	/* Check if process spawned far enough to have cmdline. */
base.c:708: * May current process learn task's sched/cmdline info (for hide_pid_min=1)
base.c:2902:	REG("cmdline",    S_IRUGO, proc_pid_cmdline_ops),
base.c:3294:	REG("cmdline",   S_IRUGO, proc_pid_cmdline_ops),
cmdline.c:26:	proc_create("cmdline", 0, NULL, &cmdline_proc_fops);
Makefile:16:proc-y	+= cmdline.o
vmcore.c:1158:	 * If elfcorehdr= has been passed in cmdline or created in 2nd kernel,

cmdline.c的代碼邏輯非常簡單，很容易發現其是/proc/cmdline的實現，並不是我們的需求

讓我們把目光聚焦到base.c，相關代碼

REG("cmdline",   S_IRUGO, proc_pid_cmdline_ops),

經驗的直覺告訴我，

1. cmdline：是文件名
2. S_IRUGO：是文件權限
3. proc_pid_cmdline_ops：是文件對應的操作結構體

果不其然，進入proc_pid_cmdline_ops我們發現其定義為

static const struct file_operations proc_pid_cmdline_ops = {
	.read   = proc_pid_cmdline_read,
	.llseek = generic_file_llseek,
}

函數：proc_pid_cmdline_read

static ssize_t proc_pid_cmdline_read(struct file *file, char __user *buf,
				size_t _count, loff_t *pos)
{
	......
	/* 獲取進程對應的虛擬地址空間描述符 */
	mm = get_task_mm(tsk);
	......
	/* 獲取argv的地址和env的地址 */
	arg_start = mm->arg_start;
	arg_end = mm->arg_end;
	env_start = mm->env_start;
	env_end = mm->env_end;
	......
	while (count > 0 && len > 0) {
		......
		/* 計算地址偏移 */
		p = arg_start + *pos;
		while (count > 0 && len > 0) {
			......
			/* 獲取進程地址空間的數據 */
			nr_read = access_remote_vm(mm, p, page, _count, FOLL_ANON);
			......
		}
	}
}

小白此時可能就疑惑了，你怎么知道access_remote_vm是干嘛的？

很簡單，跳轉到access_remote_vm函數中，可以看到此函數是有注釋的

/**
 * access_remote_vm - access another process' address space
 * @mm:         the mm_struct of the target address space
 * @addr:       start address to access
 * @buf:        source or destination buffer
 * @len:        number of bytes to transfer
 * @gup_flags:  flags modifying lookup behaviour
 *
 * The caller must hold a reference on @mm.
 */
int access_remote_vm(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
		void *buf, int len, unsigned int gup_flags)
{
	return __access_remote_vm(NULL, mm, addr, buf, len, gup_flags);
}

Linux內核源碼中，很多函數都有很規范的功能說明，參數說明，注意事項等等，我們要充分利用這些資源學習代碼。

扯遠了，讓我們回到主題上。

從proc_pid_cmdline_read中我們發現，讀/proc/<PID>/cmdline實際上就是讀取arg_start開始的的地址空間數據。所以，當這地址空間數據為空時，當然就讀不到任何數據了。那么問題來了，什么時候arg_start標識的地址空間數據為空？

關鍵字：arg_start

地址空間相關的，絕對不僅僅是proc的事兒，我們試着在內核源碼全局檢索關鍵字

[GMPY@09:55 proc]$find -name "*.c" -exec grep --color=auto -Hnw "arg_start" {} \;

匹配不少，不想一個一個看，且從檢索出來的代碼找不到方向

./mm/util.c:635:	unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
......
./kernel/sys.c:1747:		offsetof(struct prctl_mm_map, arg_start),
......
./fs/exec.c:709:	mm->arg_start = bprm->p - stack_shift;
./fs/exec.c:722:	mm->arg_start = bprm->p;
......
./fs/binfmt_elf.c:301:	p = current->mm->arg_end = current->mm->arg_start;
./fs/binfmt_elf.c:1495:	len = mm->arg_end - mm->arg_start;
./fs/binfmt_elf.c:1499:		           (const char __user *)mm->arg_start, len))
......
./fs/proc/base.c:246:	len1 = arg_end - arg_start;
......

但是從匹配的文件名給了我靈感：

/proc/<PID>/cmdline是每個進程的屬性，從task_struct到mm_struct都是描述進程以及相關資源，那什么時候會修改到arg_start所在的mm_struct呢？進程初始化的時候！

進一步聯想到在用戶空間創建進程不外乎兩個步驟：

1. fork
2. exec

在fork時只是創建新的task_struct，父子進程共用一份mm_struct，只有在exec的時候，才會獨立出mm_struct，所以arg_start一定是在exec時被修改！而匹配arg_start的文件中，剛好有exec.c。

查看了fs/exec.c中關鍵字所在函數setup_arg_pages后，並沒找到關鍵代碼，於是繼續查看匹配的文件名，產生了進一步聯想：

exec執行一個新的程序，實際是加載新程序的bin文件，關鍵字匹配的文件中剛好也有binfmt_elf.c！

定位問題不僅僅要看得懂代碼，聯想有時候也是非常有效的

函數：create_elf_tables

binfmt_elf.c中匹配關鍵字arg_start的是函數create_elf_tables，函數挺長，我們精簡一下

static int
create_elf_tables(struct linux_binprm *bprm, struct elfhdr *exec,
		unsigned long load_addr, unsigned long interp_load_addr)
{
	......
	/* Populate argv and envp */
	p = current->mm->arg_end = current->mm->arg_start;
	while (argc-- > 0) {
		......
		if (__put_user((elf_addr_t)p, argv++))
			return -EFAULT;
		......
	}
	......
	current->mm->arg_end = current->mm->env_start = p;
	while (envc-- > 0) {
		......
		if (__put_user((elf_addr_t)p, envp++))
			return -EFAULT;
		......
	}
	......
}

在此函數中，實現了把argv和envp方別存入arg_start和env_start的地址空間。

接下來，我們試試溯本逐源，一起追溯函數create_elf_tables的調用

首先，create_elf_tables聲明為static，表示其有效范圍不可能超過所在文件。在文件中檢索，發現上級函數為

static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)

竟然還是static，進而繼續在本文件中檢索load_elf_binary，找到了以下代碼：

static struct linux_binfmt elf_format = {
	.module         = THIS_MODULE,
	.load_binary    = load_elf_binary,
	.load_shlib     = load_elf_library
	.core_dump      = elf_core_dump,
	.min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
};

static int __init init_elf_binfmt(void)
{
	register_binfmt(&elf_format);
	return 0;
}

core_initcall(init_elf_binfmt);

檢索到這里，代碼結構非常清晰了，load_elf_binary函數賦值於struct linux_binfmt，通過````register_binfmt```向上層注冊，提供上層回調。

關鍵字：load_binary

為什么要鎖定關鍵字load_binary呢？既然.load_binary = load_elf_binary,，表示上層的調用應該是XXX->load_binary(...)，因此鎖定關鍵字load_binary即可定位，哪里調用了此回調。

[GMPY@09:55 proc]$ grep "\->load_binary" -rn *

非常幸運，此回調只有fs/exec.c調用

fs/exec.c:78:	if (WARN_ON(!fmt->load_binary))
fs/exec.c:1621:		retval = fmt->load_binary(bprm);

進入fs/exex.c的1621行，歸屬於函數search_binary_handler，而不幸的是EXPORT_SYMBOL(search_binary_handler);的存在，表示很可能此函數會有多處被調用，此時繼續正向分析顯然非常困難，為什么不試試逆向分析呢？

道路走不通的時候，換個角度看問題，答案就在眼前

既然從search_binary_handler繼續分析不容易，我們不妨看看execve的系統調用是否可以一步步到search_binary_handler?

關鍵字：exec

在Linux-4.9上，系統調用的定義一般是SYSCALL_DEFILNE<參數數量>(<函數名>...，因此我們全局檢索關鍵字，先確定系統調用定義在哪里？

[GMPY@09:55 proc]$ grep "SYSCALL_DEFINE.*exec" -rn *

定位到文件fs/exec.c

fs/exec.c:1905:SYSCALL_DEFINE3(execve,
fs/exec.c:1913:SYSCALL_DEFINE5(execveat,
fs/exec.c:1927:COMPAT_SYSCALL_DEFINE3(execve, const char __user *, filename,
fs/exec.c:1934:COMPAT_SYSCALL_DEFINE5(execveat, int, fd,
kernel/kexec.c:187:SYSCALL_DEFINE4(kexec_load, unsigned long, entry, unsigned long, nr_segments,
kernel/kexec.c:233:COMPAT_SYSCALL_DEFINE4(kexec_load, compat_ulong_t, entry,
kernel/kexec_file.c:256:SYSCALL_DEFINE5(kexec_file_load, int, kernel_fd, int, initrd_fd,

后面跟進函數的調用不再累贅，總結其調用關系為

execve -> do_execveat -> do_execveat_common -> exec_binprm -> search_binary_handler

終究是回歸到了search_binary_handler

分析到這，我們確定了賦值邏輯：

1. 在execve執行新程序時，會初始化mm_struct
2. 把execve中傳遞的argv和envp保存到arg_start和env_start指定的地址中
3. 在cat /proc/<PID>/cmdline時則從arg_start的虛擬地址獲取數據

因此，只要是用戶空間創建的進程經過execve的系統調用，都會有/proc/<PID>/cmdline，但依然沒澄清，什么時候會cmdline會為空？

我們知道，在Linux中，進程可分為用戶空間進程和內核空間進程，既然用戶空間進程cmdline非空，我們再看看內核進程。

函數：kthread_run

內核驅動中，經常通過kthread_run創建內核進程，我們以此函數為切入口，分析創建內核進程時，是否會賦值cmdline？

直接從kthread_run開始，跟蹤調用關系，發現真正干活的是函數__kthread_create_on_node

kthread_run -> kthread_create -> kthread_create_on_node -> __kthread_create_on_node

去掉冗余代碼，專注於函數做了什么

static struct task_struct *__kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),
				void *data, int node, const char namefmt[], va_list args)
{
	/* 把新進程相關的屬性存於 kthread_create_info 的結構體中 */
	struct kthread_create_info *create = kmalloc(sizeof(*create), GFP_KERNEL);
	create->threadfn = threadfn;
	create->data = data;
	create->node = node;
	create->done = &done;
	
	/* 把初始化后的create加入到鏈表，並喚醒kthreadd_task進程來完成創建工作 */
	list_add_tail(&create->list, &kthread_create_list);
	wake_up_process(kthreadd_task);
	/* 等待創建完成 */
	wait_for_completion_killable(&done)
	
	......

	task = create->result;
	if (!IS_ERR(task)) {
		......
		/* 創建后，設置進程名，此處的進程名屬性為comm，不同於cmdline */
		vsnprintf(name, sizeof(name), namefmt, args);
		set_task_comm(task, name);
		......
	}
}

分析方法跟上文相似，不在累述。總結來說，函數做了兩件事

1. 喚醒進程kthread_task來創建新進程
2. 設置進程的屬性，其中屬性包括comm，但不包括cmdline

回顧用戶代碼分析，如果/proc/<PID>/cmdline為空時，則使用comm，此時用[]括起來**

因此，經過kthread_run/ktrhread_create創建的內核進程，/proc/<PID>/cmdline內容為空

總結

本文以top、ps命令中顯示的進程名是否含[]為切入點，從用戶程序到內核代碼深入分析實現原理。

在本次分析過程中，主要用了以下幾種分析方法

1. 關鍵字檢索 - 從top程序的COMMAND到內核源碼的arg_start、load_binary、exec
2. 函數注釋 - 函數access_remote_vm的功能說明
3. 聯想 - 從進程屬性聯想到用戶空間創建進程，進而定位到arg_start關鍵字的處理函數
4. 逆向思維 - 從search_binary_handler向上推導調用關系困難，改為分析execve的系統調用是否可以一步步到search_binary_handler?

根據本次分析，我們得出以下結論

1. 用戶空間創建的進程在top/ps顯示不需要[]
2. 內核空間創建的進程在top/ps顯示會有[]

從實際的ps結果來看，符合上述的分析結果。

由於能力有限，如果上述分析不夠嚴謹的地方，希望一起學習討論