【Linux 1.0内核源码剖析】创建进程——fork.c

由于Linux0.11很多模块尚未跟进，而Linux1.0相比与现在的版本，基本功能，尚属完善，所以后续将研究Linux1.0源码，事实上阅读早期版本的源码，更有利于理解其过程。

关于进程的前面已有介绍进程基础编程、进程管理(linux2.6)

Linux 1.0\kernel\fork.c

 unix 系统通过 fork 系统调用创建一个进程，fork.c 的主要任务是为新的进程填写数据结构，相关步骤有：

• 取得一个空闲内存页面来保存 task_struct
• 找到一个空闲的进程槽（find_empty_process()）
• 为内存堆栈页 kernel_stack_page 取得另一个空闲的内存页面
• 将父进程的 LDT 拷贝到子进程
• 复制父进程的 mmap 信息给子进程
• sys_fork() 同样管理文件描述符和 inode

下面看看源码是如何实现的：

/*
 *  linux/kernel/fork.c
 *
 *  Copyright (C) 1991, 1992  Linus Torvalds
 */

/*
 *  'fork.c' contains the help-routines for the 'fork' system call
 * (see also system_call.s).
 * Fork is rather simple, once you get the hang of it, but the memory
 * management can be a bitch. See 'mm/mm.c': 'copy_page_tables()'
 */

#include <linux/errno.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/stddef.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/segment.h>
#include <linux/ptrace.h>
#include <linux/malloc.h>
#include <linux/ldt.h>

#include <asm/segment.h>
#include <asm/system.h>

asmlinkage void ret_from_sys_call(void) __asm__("ret_from_sys_call");

/* These should maybe be in <linux/tasks.h> */

#define MAX_TASKS_PER_USER (NR_TASKS/2)
#define MIN_TASKS_LEFT_FOR_ROOT 4

extern int shm_fork(struct task_struct *, struct task_struct *);
long last_pid=0;
//为新进程取得不重复的进程号，并返回在任务数组中的任务编号
//进程号即进程id，跟任务编号是两个概念
static int find_empty_process(void)
{
	int free_task;
	int i, tasks_free;
	int this_user_tasks;

repeat:
	//系统最大进程号为0x8000-1
	//如果恰好这么大，则让进程号从1开始，0为init进程
	if ((++last_pid) & 0xffff8000)
		last_pid=1;
	this_user_tasks = 0;
	tasks_free = 0;
	free_task = -EAGAIN;
	i = NR_TASKS;
	//i为系统的最大任务数
	while (--i > 0) {
		//如果对应i的任务号没有被占用，让free_task等于该值，同时自增可用的任务数
		if (!task[i]) {
			free_task = i;
			tasks_free++;
			continue;
		}
		//用户id拷贝
		if (task[i]->uid == current->uid)
			this_user_tasks++;
		//进程id、进程组id、会话id 都等于该进程id
		if (task[i]->pid == last_pid || task[i]->pgrp == last_pid ||
		    task[i]->session == last_pid)
			goto repeat;
	}
	//任务数溢出
	if (tasks_free <= MIN_TASKS_LEFT_FOR_ROOT ||//可用任务数少于最低需要
	    this_user_tasks > MAX_TASKS_PER_USER)//
		if (current->uid)
			return -EAGAIN;//当前进程数达到系统规定的上限，errno设置为EAGAIN
    //返回找到的任务号
	return free_task;
}

//拷贝父进程打开的所有文件描述符，共享一个文件表项
static struct file * copy_fd(struct file * old_file)
{
	//从全局文件描述符中取个新的描述符
	struct file * new_file = get_empty_filp();
	int error;

	if (new_file) {
		//拷贝老的文件描述符到新的
		memcpy(new_file,old_file,sizeof(struct file));
		new_file->f_count = 1;//文件引用计数
		//若新描述符占用了i节点，增加其引用计数
		if (new_file->f_inode)
			new_file->f_inode->i_count++;
		//调用对应的open函数，并打开，子进程同样打开父进程对应的文件
		if (new_file->f_op && new_file->f_op->open) {
			error = new_file->f_op->open(new_file->f_inode,new_file);
			//出错处理:如果失败，则释放其i节点
			if (error) {
				iput(new_file->f_inode);
				new_file->f_count = 0;
				new_file = NULL;
			}
		}
	}
	//返回新的文件描述符
	return new_file;
}

//拷贝父进程的mmap信息，tsk是子进程，current是父进程
//因为linux采用了copy-on-write 技术，所以在执行exec之前
//父子进程两者的虚拟空间不同，但其映射的物理空间是同一个，存储映射是一样的
int dup_mmap(struct task_struct * tsk)
{
	//虚拟地址空间
	struct vm_area_struct * mpnt, **p, *tmp;

	tsk->mmap = NULL;
	tsk->stk_vma = NULL;
	p = &tsk->mmap;//物理内存页面
	//链表形式组织数据，vm_next指向下一个vm_area_struct结构
	for (mpnt = current->mmap ; mpnt ; mpnt = mpnt->vm_next) {
		//寻找空闲的满足要求的一段连续的虚拟地址空间，这样父子进程具备不同的虚拟地址空间
		tmp = (struct vm_area_struct *) kmalloc(sizeof(struct vm_area_struct), GFP_KERNEL);
		if (!tmp)
			return -ENOMEM;//系统内存不足，errno设置为ENOMEM
		*tmp = *mpnt;//指向了同一个mmap 物理内存
		tmp->vm_task = tsk;//绑定到子进程tsk
		tmp->vm_next = NULL;//子进程默认下一个vm_area_struct结构为空
		//vm_inode指向虚拟地址映射的磁盘文件或设备文件的内容的inode结构体
		if (tmp->vm_inode)
			tmp->vm_inode->i_count++;//引用计数加1
		*p = tmp;//子进程的第一个vm_area_struct的物理内存映射
		p = &tmp->vm_next;//指向下一个vm_area_struct，然后循环让子进程与父进程的虚拟空间映射到同一物理页面
		//指向vm_area_struct 链表的链表头
		if (current->stk_vma == mpnt)
			tsk->stk_vma = tmp;
	}
	return 0;
}

#define IS_CLONE (regs.orig_eax == __NR_clone)
#define copy_vm(p) ((clone_flags & COPYVM)?copy_page_tables(p):clone_page_tables(p))

/*
 *  Ok, this is the main fork-routine. It copies the system process
 * information (task[nr]) and sets up the necessary registers. It
 * also copies the data segment in its entirety.
 */
 /*fork的主程序，拷贝系统进程的信息(task[nr])并且设置必要的寄存器，同时完全拷贝数据段
   regs为用户态进入内核态时的堆栈排布结构*/
asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs)
{
	struct pt_regs * childregs;
	struct task_struct *p;
	int i,nr;
	struct file *f;
	unsigned long clone_flags = COPYVM | SIGCHLD;
    //获取一个空闲内存页面来保存task_struct
	if(!(p = (struct task_struct*)__get_free_page(GFP_KERNEL)))
		goto bad_fork;
	//查找空闲的进程槽并设置全局进程号(last_pid)
	nr = find_empty_process();
	if (nr < 0)
		goto bad_fork_free;
	//复制父进程的信息到获取的内存中
	task[nr] = p;
	*p = *current;//复制当前进程内容，共享
	p->did_exec = 0;
	p->kernel_stack_page = 0;
	p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;//置子进程为不可中断状态
	p->flags &= ~(PF_PTRACED|PF_TRACESYS);
	p->pid = last_pid;//进程pid
	p->swappable = 1;
	//把该任务加入任务双向链表中
	p->p_pptr = p->p_opptr = current;
	p->p_cptr = NULL;
	SET_LINKS(p);//include/linux/sched.h
	p->signal = 0;//信号位
	p->it_real_value = p->it_virt_value = p->it_prof_value = 0;
	p->it_real_incr = p->it_virt_incr = p->it_prof_incr = 0;
	p->leader = 0;		/* process leadership doesn't inherit */
	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->min_flt = p->maj_flt = 0;
	p->cmin_flt = p->cmaj_flt = 0;
	p->start_time = jiffies;
/*
 * set up new TSS and kernel stack
 */
 //为核心堆栈页kernel_stack_page取得另一个空闲的内存页面
	if (!(p->kernel_stack_page = __get_free_page(GFP_KERNEL)))
		goto bad_fork_cleanup;
	//各类寄存器设置
	p->tss.es = KERNEL_DS;
	p->tss.cs = KERNEL_CS;
	p->tss.ss = KERNEL_DS;
	p->tss.ds = KERNEL_DS;
	p->tss.fs = USER_DS;
	p->tss.gs = KERNEL_DS;
	p->tss.ss0 = KERNEL_DS;
	p->tss.esp0 = p->kernel_stack_page + PAGE_SIZE;
	//设置TSS(任务状态段)
	p->tss.tr = _TSS(nr);
	//childregs指向核心堆栈栈顶
	childregs = ((struct pt_regs *) (p->kernel_stack_page + PAGE_SIZE)) - 1;
	p->tss.esp = (unsigned long) childregs;
	p->tss.eip = (unsigned long) ret_from_sys_call;
	//传入的堆栈寄存器内容复制到childregs中(子进程寄存器)
	*childregs = regs;
	//新进程返回0的原因
	childregs->eax = 0;
	p->tss.back_link = 0;
	p->tss.eflags = regs.eflags & 0xffffcfff;	/* iopl is always 0 for a new process */
	//如果当前进程是调用sys_clone系统调用的话
	if (IS_CLONE) {
		if (regs.ebx)
			childregs->esp = regs.ebx;
		clone_flags = regs.ecx;
		if (childregs->esp == regs.esp)
			clone_flags |= COPYVM;
	}
	p->exit_signal = clone_flags & CSIGNAL;
	//局部描述符传传入任务状态段的idt
	p->tss.ldt = _LDT(nr);
	if (p->ldt) {//当前任务的ldt不为空
	//让其指向新分配的内存
		p->ldt = (struct desc_struct*) vmalloc(LDT_ENTRIES*LDT_ENTRY_SIZE);
		if (p->ldt != NULL)
			//如果分配成功，则拷贝当前进程的ldt
			memcpy(p->ldt, current->ldt, LDT_ENTRIES*LDT_ENTRY_SIZE);
	}
	//计算io_bitmap在tss_struct中的偏移量
	p->tss.bitmap = offsetof(struct tss_struct,io_bitmap);
	//置位
	for (i = 0; i < IO_BITMAP_SIZE+1 ; i++) /* IO bitmap is actually SIZE+1 */
		p->tss.io_bitmap[i] = ~0;
	//如果当前进程使用了协处理器，就保存其上下文
	if (last_task_used_math == current)
		__asm__("clts ; fnsave %0 ; frstor %0":"=m" (p->tss.i387));
	p->semun = NULL; p->shm = NULL;
	if (copy_vm(p) || shm_fork(current, p))
		goto bad_fork_cleanup;
	//如果是克隆的
	if (clone_flags & COPYFD) {
		//且当前有文件是打开的，就把该文件描述符拷贝到新创建的进程中
		for (i=0; i<NR_OPEN;i++)
			if ((f = p->filp[i]) != NULL)
				p->filp[i] = copy_fd(f);
	} else {
	//否则，将对应文件的打开次数加1
		for (i=0; i<NR_OPEN;i++)
			if ((f = p->filp[i]) != NULL)
				f->f_count++;
	}
	//下面是引用计数加1
	if (current->pwd)
		current->pwd->i_count++;
	if (current->root)
		current->root->i_count++;
	if (current->executable)
		current->executable->i_count++;
	//复制父进程的 mmap 信息，即物理内存页面信息
	dup_mmap(p);
	//在gdt中设置新任务的tss
	set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));
	//如果已经设置了当前任务的ldt，则在gdt设置该ldt
	if (p->ldt)
		set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,p->ldt, 512);
	else
		//否则，采用默认ldt
		set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&default_ldt, 1);
	//
	p->counter = current->counter >> 1;
	//进程状态设置为可运行态
	p->state = TASK_RUNNING;	/* do this last, just in case */
	return p->pid;//父进程返回:返回子进程id
	//下面为异常出错处理
bad_fork_cleanup:
	task[nr] = NULL;
	REMOVE_LINKS(p);
	free_page(p->kernel_stack_page);
bad_fork_free:
	free_page((long) p);
bad_fork:
	return -EAGAIN;
}

分析源码最好借助 Source Insight 这个非常好的工具，不清楚变量的属性，点一下，下面就会弹出该变量对应的属性（什么类型）
从上面分析得出，一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源，fork 函数通过系统调用，上面的函数就是系统调用部分，系统先给新的进程分配进程存在需要的空间资源，然后把父进程的几乎所有信息复制给子进程，比如，父进程打开的所有文件描述符，存储映射等等，只有少数值与父进程的值不同。

子进程具备了它是一个进程的资格，且被设置为可运行态，所以在用户调用 fork 之后，创建的子进程即可运行。