關於linux系統如何實現fork的研究(一)

時間 2019-11-29

標籤關於 linux 系統如何實現 fork 研究欄目 Linux 简体版

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引言

fork函數是用於在linux系統中建立進程所使用，而最近看了看一個fork()調用是怎麼從應用到glibc，最後到內核中實現的，這片文章就聊聊最近對這方面研究的收穫吧。咱們主要聊聊從glibc庫進入內核，再從內核出來的情景，而從應用到glibc這部分本片文章就不詳細說明了。爲了方便期間，咱們的硬件平臺爲arm，linux內核爲3.18.3，glibc庫版本爲2.20，可從 http://ftp.gnu.org/gnu/glibc/下載源碼。

Glibc到kernel

咱們設定硬件平臺爲arm，glibc庫版本爲2.20，由於不一樣的CPU體系結構中，glibc庫經過系統調用進入kernel庫的方法是不同的。當glibc準備進入kernel時，流程以下

 1 /* glibc最後會調用到一個INLINE_SYSCALL宏，參數以下 */
 2 INLINE_SYSCALL (clone, 5, CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid)；
 3 
 4  /* INLINE_SYSCALL的宏定義以下,能夠看出在INLINE_SYSCALL宏中又使用到了INTERNAL_SYSCALL宏，而INTERNAL_SYSCALL宏最終會調用INTERNAL_SYSCALL_RAW */
 5 #define INLINE_SYSCALL(name, nr, args...) \
 6   ({ unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args); \
 7      if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) \
 8        { \
 9      __set_errno (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, )); \
10      _sys_result = (unsigned int) -1; \
11        } \
12      (int) _sys_result; })
13 
14  /* 爲了方便你們理解，將此宏寫爲僞代碼形式 */
15  int INLINE_SYSCALL (name, nr, args...)
16  {
17     unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args);
18 
19     if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) {
20         __set_error (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, ));
21         _sys_result = (unsigned int) -1;
22     }
23     return (int)_sys_result;
24  }
25 
26 /* 這裏咱們不須要看INTERNAL_SYSCALL宏，只須要看其最終調用的INTERNAL_SYSCALL_RAW宏，須要注意的是，INTERNAL_SYSCALL調用INTERNAL_SYSCALL_RAW時，經過SYS_ify(name)宏將name轉爲了系統調用號
27  * name: 120（經過SYS_ify(name)宏已經將clone轉爲了系統調用號120）
28  * err: NULL
29  * nr: 5
30  * args[0]: CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD
31  * args[1]: NULL
32  * args[2]: NULL
33  * args[3]: NULL
34  * args[4]: &THREAD_SELF->tid
35   */
36  # define INTERNAL_SYSCALL_RAW(name, err, nr, args...)     \
37   ({     \
38        register int _a1 asm ("r0"), _nr asm ("r7");     \
39        LOAD_ARGS_##nr (args)     \
40        _nr = name;     \
41        asm volatile ("swi    0x0    @ syscall " #name    \
42     : "=r" (_a1)     \
43     : "r" (_nr) ASM_ARGS_##nr     \
44     : "memory");     \
45        _a1; })
46  #endif

INTERNAL_SYSCALL_RAW實現的結果就是將args[0]存到了r0...args[4]存到了r4中，並將name(120)綁定到r7寄存器。而後經過swi 0x0指令進行了軟中斷。0x0是一個24位的當即數，用於軟中斷執行程序判斷執行什麼操做。當執行這條指令時，CPU會跳轉至中斷向量表的軟中斷指令處，執行該處保存的調用函數，而在函數中會根據swi後面的24位當即數(在咱們的例子中是0x0)執行不一樣操做。在這時候CPU已經處於保護模式，陷入內核中。如今進入到linux內核中後，具體看此時內核是怎麼操做的吧。linux

  1 /* 源文件地址: 內核目錄/arch/arm/kernel/entry-common.S */
  2 
  3 ENTRY(vector_swi)
  4     /*
  5      * 保存現場
  6      */
  7 #ifdef CONFIG_CPU_V7M
  8     v7m_exception_entry
  9 #else
 10     sub    sp, sp, #S_FRAME_SIZE
 11     stmia    sp, {r0 - r12}            @ 將r0~r12保存到棧中
 12  ARM(    add    r8, sp, #S_PC        )
 13  ARM(    stmdb    r8, {sp, lr}^        )    @ Calling sp, lr
 14  THUMB(    mov    r8, sp            )
 15  THUMB(    store_user_sp_lr r8, r10, S_SP    )    @ calling sp, lr
 16     mrs    r8, spsr            @ called from non-FIQ mode, so ok.
 17     str    lr, [sp, #S_PC]            @ Save calling PC
 18     str    r8, [sp, #S_PSR]        @ Save CPSR
 19     str    r0, [sp, #S_OLD_R0]        @ Save OLD_R0
 20 #endif
 21     zero_fp
 22     alignment_trap r10, ip, __cr_alignment
 23     enable_irq
 24     ct_user_exit
 25     get_thread_info tsk
 26 
 27     /*
 28      * 如下代碼根據不一樣arm體系結構獲取系統調用號
 29      */
 30 
 31 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
 32 
 33     /*
 34      * 若是內核配置了OABI兼容選項，會先判斷是否爲THUMB，如下爲THUMB狀況（咱們分析的時候能夠忽略這段，通常狀況是不走這一段的）
 35      */
 36 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB
 37     tst    r8, #PSR_T_BIT
 38     movne    r10, #0                @ no thumb OABI emulation
 39  USER(    ldreq    r10, [lr, #-4]        )    @ get SWI instruction
 40 #else
 41  USER(    ldr    r10, [lr, #-4]        )    @ get SWI instruction
 42 #endif
 43  ARM_BE8(rev    r10, r10)            @ little endian instruction
 44 
 45 #elif defined(CONFIG_AEABI)
 46 
 47     /*
 48      * 咱們主要看這裏，EABI將系統調用號保存在r7中
 49      */
 50 #elif defined(CONFIG_ARM_THUMB)
 51     /* 先判斷是否爲THUMB模式 */
 52     tst    r8, #PSR_T_BIT            
 53     addne    scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE    
 54  USER(    ldreq    scno, [lr, #-4]        )
 55 
 56 #else
 57     /* EABI模式 */
 58  USER(    ldr    scno, [lr, #-4]        )    @ 獲取系統調用號
 59 #endif
 60 
 61     adr    tbl, sys_call_table        @ tbl爲r8，這裏是將sys_call_table的地址(相對於此指令的偏移量)存入r8
 62 
 63 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
 64     /*
 65      * 在EABI體系中，若是swi跟着的當即數爲0，這段代碼不作處理，而若是是old abi體系，則根據系統調用號調用old abi體系的系統調用表(sys_oabi_call_table)
 66      * 其實說白了，在EABI體系中，系統調用時使用swi 0x0進行軟中斷，r7寄存器保存系統調用號
 67      * 而old abi體系中，是經過swi (系統調用號|magic)進行調用的
 68      */
 69     bics    r10, r10, #0xff000000
 70     eorne    scno, r10, #__NR_OABI_SYSCALL_BASE
 71     ldrne    tbl, =sys_oabi_call_table 
 72 #elif !defined(CONFIG_AEABI)
 73     bic    scno, scno, #0xff000000        
 74     eor    scno, scno, #__NR_SYSCALL_BASE    
 75 #endif
 76 
 77 local_restart:
 78     ldr    r10, [tsk, #TI_FLAGS]        @ 檢查系統調用跟蹤
 79     stmdb     {r4, r5}            @ 將第5和第6個參數壓入棧
 80 
 81     tst    r10, #_TIF_SYSCALL_WORK        @ 判斷是否在跟蹤系統調用
 82     bne    __sys_trace
 83 
 84     cmp    scno, #NR_syscalls        @ 檢測系統調用號是否在範圍內，NR_syscalls保存系統調用總數
 85     adr    lr, BSYM(ret_fast_syscall)    @ 將返回地址保存到lr寄存器中，lr寄存器是用於函數返回的。
 86     ldrcc    pc, [tbl, scno, lsl #2]        @ 調用相應系統調用例程，tbl(r8)保存着系統調用表(sys_call_table)地址，scno(r7)保存着系統調用號120，這裏就轉到相應的處理例程上了。
 87 
 88     add    r1, sp, #S_OFF
 89 2:    cmp    scno, #(__ARM_NR_BASE - __NR_SYSCALL_BASE)
 90     eor    r0, scno, #__NR_SYSCALL_BASE    @ put OS number back
 91     bcs    arm_syscall
 92     mov    why, #0                @ no longer a real syscall
 93     b    sys_ni_syscall            @ not private func
 94 
 95 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT) || !defined(CONFIG_AEABI)
 96     /*
 97      * We failed to handle a fault trying to access the page
 98      * containing the swi instruction, but we're not really in a
 99      * position to return -EFAULT. Instead, return back to the
100      * instruction and re-enter the user fault handling path trying
101      * to page it in. This will likely result in sending SEGV to the
102      * current task.
103      */
104 9001:
105     sub    lr, lr, #4
106     str    lr, [sp, #S_PC]
107     b    ret_fast_syscall
108 #endif
109 ENDPROC(vector_swi)            @ 返回

好的，終於跳轉到了系統調用表，如今咱們看看系統調用表是怎麼樣的一個形式dom

 1 /* 文件地址: linux內核目錄/arch/arm/kernel/calls.S */
 2 
 3 /* 0 */        CALL(sys_restart_syscall)
 4         CALL(sys_exit)
 5         CALL(sys_fork)
 6         CALL(sys_read)
 7         CALL(sys_write)
 8 /* 5 */        CALL(sys_open)
 9         CALL(sys_close)
10         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_waitpid */
11         CALL(sys_creat)
12         CALL(sys_link)
13 /* 10 */    CALL(sys_unlink)
14         CALL(sys_execve)
15         CALL(sys_chdir)
16         CALL(OBSOLETE(sys_time))    /* used by libc4 */
17         CALL(sys_mknod)
18 /* 15 */    CALL(sys_chmod)
19         CALL(sys_lchown16)
20         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_break */
21         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_stat */
22         CALL(sys_lseek)
23 /* 20 */    CALL(sys_getpid)
24         CALL(sys_mount)
25         CALL(OBSOLETE(sys_oldumount))    /* used by libc4 */
26         CALL(sys_setuid16)
27         CALL(sys_getuid16)
28 /* 25 */    CALL(OBSOLETE(sys_stime))
29         CALL(sys_ptrace)
30         CALL(OBSOLETE(sys_alarm))    /* used by libc4 */
31         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_fstat */
32         CALL(sys_pause)
33 
34         ......................
35         ......................
36        
37 /* 120 */    CALL(sys_clone)        /* 120在此，以前傳進來的系統調用號120進入內核後會到這 */
38         CALL(sys_setdomainname)
39         CALL(sys_newuname)
40         CALL(sys_ni_syscall)        /* modify_ldt */
41         CALL(sys_adjtimex)
42 /* 125 */    CALL(sys_mprotect)
43         CALL(sys_sigprocmask)
44         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_create_module */
45         CALL(sys_init_module)
46         CALL(sys_delete_module)
47   
48         ......................
49         ......................
50        
51 /* 375 */    CALL(sys_setns)
52         CALL(sys_process_vm_readv)
53         CALL(sys_process_vm_writev)
54         CALL(sys_kcmp)
55         CALL(sys_finit_module)
56 /* 380 */    CALL(sys_sched_setattr)
57         CALL(sys_sched_getattr)
58         CALL(sys_renameat2)
59         CALL(sys_seccomp)
60         CALL(sys_getrandom)
61 /* 385 */    CALL(sys_memfd_create)
62         CALL(sys_bpf)
63 #ifndef syscalls_counted
64 .equ syscalls_padding, ((NR_syscalls + 3) & ~3) - NR_syscalls
65 #define syscalls_counted
66 #endif
67 .rept syscalls_padding
68         CALL(sys_ni_syscall)
69 .endr

CALL爲一個宏，而咱們使用的那一行CALL(sys_clone)配合ldrcc pc,[tbl,scno,lsl #2]使用的結果就是把sys_clone的地址放入pc寄存器。具體咱們仔細分析一下，首先先看看CALL宏展開，而後把CALL代入ldrcc，結果就很清晰了函數

 1 /* CALL(x)宏展開 */
 2 #define CALL(x) .equ NR_syscalls,NR_syscalls+1
 3 #include "calls.S"
 4 
 5 .ifne NR_syscalls - __NR_syscalls
 6 .error "__NR_syscalls is not equal to the size of the syscall table"
 7 .endif
 8 
 9 /* 主要是後面這一段，
10  * 上面一段主要用於統計系統調用數量，並將數量保存到NR_syscalls中，具體實現說明能夠參考http://www.tuicool.com/articles/QFj6zq
11  */
12 
13 #undef CALL
14 /* 其實就是生成一個數爲x，至關於.long sys_clone，由於sys_clone是函數名，因此.long生成的是sys_clone函數名對應的地址 */
15 #define CALL(x) .long x
16 
17 #ifdef CONFIG_FUNCTION_TRACER
18 
19 
20 /* 配合ldrcc一塊兒看，原來ldrcc是這樣 */
21 ldrcc    pc, [tbl, scno, lsl #2]    
22 
23 /* 把CALL(x)代入ldrcc，最後是這樣 */
24 ldrcc    pc, sys_clone(函數地址)

清楚的看出來，ldrcc最後是將sys_clone的函數地址存入了pc寄存器，而sys_clone函數內核是怎麼定義的呢，以下學習

 1 /* 文件地址: linux內核目錄/kernel/Fork.c */
 2 
 3 /* 如下代碼根據不一樣的內核配置定義了不一樣的clone函數
 4  * 其最終都調用的do_fork函數，咱們先看看SYSCALL_DEFINE是怎麼實現的吧，實如今此代碼片斷後面
 5  */
 6 #ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
 7 #ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
 8 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
 9          int __user *, parent_tidptr,
10          int, tls_val,
11          int __user *, child_tidptr)
12 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
13 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
14          int __user *, parent_tidptr,
15          int __user *, child_tidptr,
16          int, tls_val)
17 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
18 SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
19         int, stack_size,
20         int __user *, parent_tidptr,
21         int __user *, child_tidptr,
22         int, tls_val)
23 #else
24 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
25          int __user *, parent_tidptr,
26          int __user *, child_tidptr,
27          int, tls_val)
28 #endif
29 {
30     return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
31 }
32 
33 
34  /************************************************
35  * 我是代碼分界線
36  ************************************************/
37 
38 /* 文件地址: linux內核目錄/include/linux.h */
39 
40 #define SYSCALL_DEFINE0(sname) \
41     SYSCALL_METADATA(_##sname, 0); \
42     asmlinkage long sys_##sname(void)
43 
44 #define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)
45 #define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)
46 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
47 #define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)
48 #define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)
49 #define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)
50 
51 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \
52     SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__) \
53     __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
54 
55 #define __PROTECT(...) asmlinkage_protect(__VA_ARGS__)
56 #define __SYSCALL_DEFINEx

能夠看出系統調用是使用SYSCALL_DEFINEx進行定義的，以咱們的例子，實際上最後clone函數被定義爲ui

 1 /* 展開前 */
 2 
 3 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
 4          int __user *, parent_tidptr,
 5          int __user *, child_tidptr,
 6          int, tls_val)
 7 #endif
 8 {
 9     /* 應用層默認fork參數(CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid) */
10     return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
11 }
12 
13  /* 展開後 */
14 
15 asmlinkage long sys_clone (unsigned long clone_flags, unsigned long newsp, int __user * parent_tidptr, int __user * child_tidptr, int tls_val)
16 {
17     return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
18 }

終於看到最後系統會調用do_fork函數進行操做，接下來咱們看看do_fork函數spa

 1 /* 應用層的fork最後會經過sys_clone系統調用調用到此函數 */
 2 /* 應用層默認fork參數(CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid) 
 3  * clone_flags: CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD
 4  * stack_start: NULL
 5  * stack_size: NULL
 6  * parent_tidptr: NULL
 7  * child_tidptr: &THREAD_SELF->tid
 8  * pid: NULL
 9  */
10 long do_fork(unsigned long clone_flags,
11      unsigned long stack_start,
12      unsigned long stack_size,
13      int __user *parent_tidptr,
14      int __user *child_tidptr)
15 {
16     struct task_struct *p;
17     int trace = 0;
18     long nr;
19 
20     /* 判斷是否進行跟蹤 */
21     if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
22         if (clone_flags & CLONE_VFORK)
23             trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
24         else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)
25             trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
26         else
27             trace = PTRACE_EVENT_FORK;
28 
29         if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
30             trace = 0;
31     }
32 
33     /* 調用copy_process進行初始化，返回初始化好的struct task_struct結構體，當咱們調用fork時返回兩次的緣由也是在這個函數當中，下回分析 */
34     p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
35              child_tidptr, NULL, trace);
36 
37 
38     if (!IS_ERR(p)) {
39         /* 建立成功 */
40         struct completion vfork;
41         struct pid *pid;
42 
43         trace_sched_process_fork(current, p);
44 
45         /* 獲取子進程PID */
46         pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
47         /* 返回子進程pid所屬的命名空間所看到的局部PID */
48         nr = pid_vnr(pid);
49 
50         if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
51             put_user(nr, parent_tidptr);
52 
53         if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
54             p->vfork_done = &vfork;
55             init_completion(&vfork);
56             get_task_struct(p);
57         }
58 
59         /* 將新進程加入到CPU的運行隊列中 */
60         wake_up_new_task(p);
61 
62         /* 跟蹤纔會用到 */
63         if (unlikely(trace))
64             ptrace_event_pid(trace, pid);
65 
66         /* 若是是vfork調用，則在此等待vfork的進程結束 */
67         if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
68             if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
69                 ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
70         }
71 
72         put_pid(pid);
73     } else {
74         /* 建立失敗 */
75         nr = PTR_ERR(p);
76     }
77         /* 返回新進程PID（新進程在這會返回0） */
78     return nr;
79 }

在do_fork函數中，首先會根據clone_flags判斷是否對父進程進行了跟蹤（調試使用），若是進行了函數跟蹤(還須要判斷是否對子進程進行跟蹤)，以後調用copy_process(do_fork的核心函數，以後的文章會對它進行分析)，在copy_process中會對子進程的許多結構體和參數進行初始化(同時在fork正常狀況中爲何會返回兩次也是在此函數中實現的)，do_fork最後就判斷是不是經過vfork建立，若是是vfork建立，則會使父進程阻塞直到子進程結束釋放所佔內存空間後才繼續執行，最後do_fork子進程pid。

調試