进程的创建和调度
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本实验来源 https://github.com/mengning/linuxkernel/
一、实验要求
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:
二、实验内容
1.阅读理解task_struct数据结构
本实验来源 http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/include/linux/sched.h#1235；
首先什么是进程？
<1>进程是程序的一个执行的实例；
<2>进程是正在执行的程序
<3>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
2.分析fork函数对应的内核处理过程
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系统调用内核处理函数do_fork
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调试模式
我们使用如下代码：
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");
}
}
继续编译。
cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_fork.c test.c
make rootfs
打开gdb进行调试
设置断点
b sys_clone
b _do_fork
b dup_task_struct
b copy_process
最终运行结果
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。
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.编程使用exec*库函数加载一个可执行文件
在原fork函数上添加命令
execlp("/bin/ls",“ls”,NULL);
重新编译。
6.使用gdb跟踪分析一个schedule()函数
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。
7.总结
我们考虑linux系统中的fork系统调用。fork会创建一个新的进程，加载文件并进行执行。在这个过程中，涉及到了两个进程之间的切换。我们依然使用前一篇文章的环境，对fork系统调用进行调试，来完成这个分析。当我们调用fork函数的时候，产生了软中断，通过int 0x80陷入内核，进入sys_call函数，并且通过eax传递系统调用号参数。然后，通过sys_call_table来寻找相应的系统调用函数进行执行。在这里是sys_clone。这个是我们的地一个断点。
对于进程的切换，主要有两部分需要理解，一个是进程切换的时机，一个是schedule函数的调用过程。对于进程切换的时机，中断处理以后是其中一个时机，内核线程也可以进程schedule函数的调用，来完成进程的切换。对于schedule函数。大致的过程是: 首先，进程x在执行，假设执行的ip是 ip_prev. 进入中断处理，以及进程切换的时机以后，先保持自己的内核栈信息，包括flags以及ebp，自己的ip会保存在thread结构体中。这里的ip设置成了标号1的位置。也就是，如果进程切换了，下次回到这个进程的时候，会执行标号1的位置开始执行，回复flags以及ebp。所以这里的保持flags/ebp 和恢复是对应。对于新的进程开始执行的位置，如果是像fork这样的创建的新进程，从thread.ip中取出来的就是ret_from_fork，如果是之前运行过的进程，就如上面说的，进入标号1的位置开始执行。这里的的保持ip和恢复ip也是配套的。