Linux0.11 创建进程的过程分析--fork函数的使用

/*
* linux/kernel/fork.c
*
* (C) 1991 Linus Torvalds
*/
/*
注意：signal.c和fork.c文件的编译选项内不能有vc变量优化选项/Og，因为这两个文件
	内的函数参数内包含了函数返回地址等内容。如果加了/Og选项，编译器就会在认为
	这些参数不再使用后占用该内存，导致函数返回时出错。
	math/math_emulate.c照理也应该这样，不过好像它没有把eip等参数优化掉:)
*/
#include <set_seg.h>

/*
* 'fork.c'中含有系统调用'fork'的辅助子程序（参见system_call.s），以及一些其它函数
* ('verify_area')。一旦你了解了fork，就会发现它是非常简单的，但内存管理却有些难度。
* 参见'mm/mm.c'中的'copy_page_tables()'。
*/
#include <errno.h>		// 错误号头文件。包含系统中各种出错号。(Linus 从minix 中引进的)。

#include <linux/sched.h>	// 调度程序头文件，定义了任务结构task_struct、初始任务0 的数据，
// 还有一些有关描述符参数设置和获取的嵌入式汇编函数宏语句。
#include <linux/kernel.h>	// 内核头文件。含有一些内核常用函数的原形定义。
#include <asm/segment.h>	// 段操作头文件。定义了有关段寄存器操作的嵌入式汇编函数。
#include <asm/system.h>		// 系统头文件。定义了设置或修改描述符/中断门等的嵌入式汇编宏。

extern void write_verify (unsigned long address);

long last_pid = 0;

//// 进程空间区域写前验证函数。
// 对当前进程的地址addr 到addr+size 这一段进程空间以页为单位执行写操作前的检测操作。
// 若页面是只读的，则执行共享检验和复制页面操作（写时复制）。
void verify_area (void *addr, int size)
{
	unsigned long start;

	start = (unsigned long) addr;
// 将起始地址start 调整为其所在页的左边界开始位置，同时相应地调整验证区域大小。
// 此时start 是当前进程空间中的线性地址。
	size += start & 0xfff;
	start &= 0xfffff000;
	start += get_base (current->ldt[2]);// 此时start 变成系统整个线性空间中的地址位置。
	while (size > 0)
	{
		size -= 4096;
// 写页面验证。若页面不可写，则复制页面。（mm/memory.c，261 行）
		write_verify (start);
		start += 4096;
	}
}

// 设置新任务的代码和数据段基址、限长并复制页表。
// nr 为新任务号；p 是新任务数据结构的指针。
int copy_mem (int nr, struct task_struct *p)
{
	unsigned long old_data_base, new_data_base, data_limit;
	unsigned long old_code_base, new_code_base, code_limit;

	code_limit = get_limit (0x0f);	// 取局部描述符表中代码段描述符项中段限长。
	data_limit = get_limit (0x17);	// 取局部描述符表中数据段描述符项中段限长。
	old_code_base = get_base (current->ldt[1]);	// 取原代码段基址。
	old_data_base = get_base (current->ldt[2]);	// 取原数据段基址。
	if (old_data_base != old_code_base)	// 0.11 版不支持代码和数据段分立的情况。
		panic ("We don't support separate I&D");
	if (data_limit < code_limit)	// 如果数据段长度 < 代码段长度也不对。
		panic ("Bad data_limit");
	new_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000;	// 新基址=任务号*64Mb(任务大小)。
	p->start_code = new_code_base;
	set_base (p->ldt[1], new_code_base);	// 设置代码段描述符中基址域。
	set_base (p->ldt[2], new_data_base);	// 设置数据段描述符中基址域。
	if (copy_page_tables (old_data_base, new_data_base, data_limit))
    {				// 复制代码和数据段。
		free_page_tables (new_data_base, data_limit);	// 如果出错则释放申请的内存。
		return -ENOMEM;
    }
	return 0;
}

/*
* OK，下面是主要的fork 子程序。它复制系统进程信息(task[n])并且设置必要的寄存器。
* 它还整个地复制数据段。
*/
// 复制进程的进程管理结构
int copy_process (int nr, long ebp, long edi, long esi, long gs, long none,
				  long ebx, long ecx, long edx,
				  long fs, long es, long ds,
				  long eip, long cs, long eflags, long esp, long ss)
{
	struct task_struct *p;
	int i;
	struct file *f;
	struct i387_struct *p_i387;   //协处理器数据结构

	//进程管理结构需要一个页面存储，页面申请在主内存的最末位置
	p = (struct task_struct *) get_free_page ();	// 为新任务数据结构分配内存。
	if (!p)			// 如果内存分配出错，则返回出错码并退出。
		return -EAGAIN;
	task[nr] = p;			// 将新任务结构指针放入任务数组中。//实现挂接
// 其中nr 为任务号，由前面find_empty_process()返回。
	*p = *current;		/* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */
/* 注意！这样做不会复制超级用户的堆栈 （只复制当前进程内容）。*/ 
	p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;	// 将新进程的状态先置为不可中断等待状态。
	p->pid = last_pid;		// 新进程号。由前面调用find_empty_process()得到。
	p->father = current->pid;	// 设置父进程号。
	p->counter = p->priority;
	p->signal = 0;		// 信号位图置0。
	p->alarm = 0;
	p->leader = 0;		/* process leadership doesn't inherit */
/* 进程的领导权是不能继承的 */
	p->utime = p->stime = 0;	// 初始化用户态时间和核心态时间。
	p->cutime = p->cstime = 0;	// 初始化子进程用户态和核心态时间。
	p->start_time = jiffies;	// 当前滴答数时间。
// 以下设置任务状态段TSS 所需的数据（参见列表后说明）。
	p->tss.back_link = 0;
	p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;	// 堆栈指针（由于是给任务结构p 分配了1 页
// 新内存，所以此时esp0 正好指向该页顶端）。
	p->tss.ss0 = 0x10;		// 堆栈段选择符（内核数据段）[??]。
	p->tss.eip = eip;		// 指令代码指针。
	p->tss.eflags = eflags;	// 标志寄存器。
	p->tss.eax = 0;
	p->tss.ecx = ecx;
	p->tss.edx = edx;
	p->tss.ebx = ebx;
	p->tss.esp = esp;
	p->tss.ebp = ebp;
	p->tss.esi = esi;
	p->tss.edi = edi;
	p->tss.es = es & 0xffff;	// 段寄存器仅16 位有效。
	p->tss.cs = cs & 0xffff;
	p->tss.ss = ss & 0xffff;
	p->tss.ds = ds & 0xffff;
	p->tss.fs = fs & 0xffff;
	p->tss.gs = gs & 0xffff;
	p->tss.ldt = _LDT (nr);	// 该新任务nr 的局部描述符表选择符（LDT 的描述符在GDT 中）。
	p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;
// 如果当前任务使用了协处理器，就保存其上下文。
	p_i387 = &p->tss.i387;
	if (last_task_used_math == current)
	_asm{
		mov ebx, p_i387
		clts
		fnsave [p_i387]
	}
//    __asm__ ("clts ; fnsave %0"::"m" (p->tss.i387));
// 设置新任务的代码和数据段基址、限长并复制页表。如果出错（返回值不是0），则复位任务数组中
// 相应项并释放为该新任务分配的内存页。
	if (copy_mem (nr, p))
	{				// 返回不为0 表示出错。
		task[nr] = NULL;
		free_page ((long) p);
		return -EAGAIN;
	}
// 如果父进程中有文件是打开的，则将对应文件的打开次数增1。
	for (i = 0; i < NR_OPEN; i++)
		if (f = p->filp[i])
			f->f_count++;
// 将当前进程（父进程）的pwd, root 和executable 引用次数均增1。
	if (current->pwd)
		current->pwd->i_count++;
	if (current->root)
		current->root->i_count++;
	if (current->executable)
		current->executable->i_count++;
// 在GDT 中设置新任务的TSS 和LDT 描述符项，数据从task 结构中取。
// 在任务切换时，任务寄存器tr 由CPU 自动加载。

//这里实现的是进程1的tss和ldt与全局描述符表进行挂接操作
	set_tss_desc (gdt + (nr << 1) + FIRST_TSS_ENTRY, &(p->tss));
	set_ldt_desc (gdt + (nr << 1) + FIRST_LDT_ENTRY, &(p->ldt));
	p->state = TASK_RUNNING;	/* do this last, just in case */
/* 最后再将新任务设置成可运行状态，以防万一 */
	return last_pid;		// 返回新进程号（与任务号是不同的）。
}

// 为新进程取得不重复的进程号last_pid，并返回在任务数组中的任务号(数组index)。
int find_empty_process (void)
{
	int i;

repeat:
	if ((++last_pid) < 0)
		last_pid = 1;
	for (i = 0; i < NR_TASKS; i++)
		if (task[i] && task[i]->pid == last_pid)
			goto repeat;
	for (i = 1; i < NR_TASKS; i++)	// 任务0 排除在外。
		if (!task[i])
			return i;
	return -EAGAIN;
}