2018-2019-1 20189215 《Linux內核原理與分析》第七週做業

時間  2019-11-17
標籤 Linux內核原理與分析 第七 欄目 Linux 简体版
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《庖丁解牛》第六章書本知識總結

  1. 操做系統內個實現操做系統的三大管理功能：進程管理、內存管理、文件系統。分別對應《操做系統原理》中最重要的3個抽象概念是進程、虛擬內存和文件。
  2. Linux中的進程描述符struct task_struct就是PCB進程控制塊。
  3. Linux內核管理的進程狀態轉換圖
  4. 進程描述符struct task_struct記錄了當前進程的父進程real_parent、parent。
  5. 雙向鏈表struct list_head children記錄當前進程的子進程。
  6. 雙向鏈表struct list_head sibling記錄當前進程的兄弟進程。
  7. fork系統調用建立了一個子進程，子進程複製了父進程中全部的進程信息，包括內核堆棧、進程描述符等，子進程做爲一個獨立的進程也會被調度。
  8. fork、vfork、clone系統調用和kernel_thread內核函數均可以建立一個新進程，並且都是經過do_fork函數來建立進程的，只不過傳遞的參數不一樣。
  9. fork一個子進程的過程當中，複製父進程的資源時採用了Copy On Write（寫時複製）技術，不須要修改進程資源，父子進程是共享內存存儲空間的。
  10. do_fork主要完成了調用copy_process()複製父進程信息、得到pid、調用wake_up_new_task將子進程加入調度器隊列等待得到分配CPU資源運行、經過clone_flags標誌作一些輔助工做。
    do_fork代碼：
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;

    // ...

    // 複製進程描述符，返回建立的task_struct的指針
    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結構體內的pid
        pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr = pid_vnr(pid);

        if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
            put_user(nr, parent_tidptr);

        // 若是使用的是vfork，那麼必須採用某種完成機制，確保父進程後運行
        if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
            p->vfork_done = &vfork;
            init_completion(&vfork);
            get_task_struct(p);
        }

        // 將子進程添加到調度器的隊列，使得子進程有機會得到CPU
        wake_up_new_task(p);

        // ...

        // 若是設置了 CLONE_VFORK 則將父進程插入等待隊列，並掛起父進程直到子進程釋放本身的內存空間
        // 保證子進程優先於父進程運行
        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;
}
  1. copy_process函數主要完成課調用dup_task_struct複製當前進程（父進程）描述符task_struct、信息檢查、初始化、把進程狀態設置爲TASK_RUNNING（此時子進程置爲就緒態）、採用寫時複製技術逐一複製全部其餘進程資源、調用copy_thread初始化子進程內核棧、設置子進程pid等。
    copy_process代碼：
static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
                    unsigned long stack_start,
                    unsigned long stack_size,
                    int __user *child_tidptr,
                    struct pid *pid,
                    int trace)
{
    int retval;
    struct task_struct *p;
    ...
    retval = security_task_create(clone_flags);//安全性檢查
    ...
    p = dup_task_struct(current);   //複製PCB,爲子進程建立內核棧、進程描述符
    ftrace_graph_init_task(p);
    ···
    
    retval = -EAGAIN;
    // 檢查該用戶的進程數是否超過限制
    if (atomic_read(&p->real_cred->user->processes) >=
            task_rlimit(p, RLIMIT_NPROC)) {
        // 檢查該用戶是否具備相關權限，不必定是root
        if (p->real_cred->user != INIT_USER &&
            !capable(CAP_SYS_RESOURCE) && !capable(CAP_SYS_ADMIN))
            goto bad_fork_free;
    }
    ...
    // 檢查進程數量是否超過 max_threads，後者取決於內存的大小
    if (nr_threads >= max_threads)
        goto bad_fork_cleanup_count;

    if (!try_module_get(task_thread_info(p)->exec_domain->module))
        goto bad_fork_cleanup_count;
    ...
    spin_lock_init(&p->alloc_lock);          //初始化自旋鎖
    init_sigpending(&p->pending);           //初始化掛起信號 
    posix_cpu_timers_init(p);               //初始化CPU定時器
    ···
    retval = sched_fork(clone_flags, p);  //初始化新進程調度程序數據結構，把新進程的狀態設置爲TASK_RUNNING,並禁止內核搶佔
    ...
    // 複製全部的進程信息
    shm_init_task(p);
    retval = copy_semundo(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_files(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_fs(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_sighand(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_signal(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_mm(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_io(clone_flags, p);
    ...
    retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);// 初始化子進程內核棧
    ...
    //若傳進來的pid指針和全局結構體變量init_struct_pid的地址不相同，就要爲子進程分配新的pid
    if (pid != &init_struct_pid) {
        retval = -ENOMEM;
        pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);
        if (!pid)
            goto bad_fork_cleanup_io;
    }

    ...
    p->pid = pid_nr(pid);    //根據pid結構體中得到進程pid
    //若 clone_flags 包含 CLONE_THREAD標誌，說明子進程和父進程在同一個線程組
    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->exit_signal = -1;
        p->group_leader = current->group_leader; //線程組的leader設爲子進程的組leader
        p->tgid = current->tgid;       //子進程繼承父進程的tgid
    } else {
        if (clone_flags & CLONE_PARENT)
            p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
        else
            p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
        p->group_leader = p;          //子進程的組leader就是它本身
        
       
        p->tgid = p->pid;        //組號tgid是它本身的pid
    }

    ...
    
    if (likely(p->pid)) {
        ptrace_init_task(p, (clone_flags & CLONE_PTRACE) || trace);

        init_task_pid(p, PIDTYPE_PID, pid);
        if (thread_group_leader(p)) {
            ...
            // 將子進程加入它所在組的哈希鏈表中
            attach_pid(p, PIDTYPE_PGID);
            attach_pid(p, PIDTYPE_SID);
            __this_cpu_inc(process_counts);
        } else {
            ...
        }
        attach_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr_threads++;     //增長系統中的進程數目
    }
    ...
    return p;             //返回被建立的子進程描述符指針P
    ...
}

clone, fork, vfork區別與聯繫

系統調用服務例程sys_clone, sys_fork, sys_vfork三者最終都是調用do_fork函數完成。
do_fork的參數與clone系統調用的參數相似，不過多了一個regs(內核棧保存的用戶模式寄存器).，實際上其餘的參數也都是用regs取的。html

  • 具體實現的參數不一樣
  1. clone:
    clone的API外衣, 把fn, arg壓入用戶棧中, 而後引起系統調用. 返回用戶模式後下一條指令就是fn.
    sysclone: parent_tidptr, child_tidptr都傳到了 do_fork的參數中
    sysclone: 檢查是否有新的棧, 若是沒有就用父進程的棧 (開始地址就是regs.esp)
  2. fork, vfork:
    服務例程就是直接調用do_fork, 不過參數稍加修改
    clone_flags:
    sys_fork: SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
    sys_vfork: CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0
    用戶棧: 都是父進程的棧.
    parent_tidptr, child_ctidptr都是NULL.

實驗：分析Linux內核建立一個新進程的過程

本次實驗中使用的fork命令是用sys_clone系統調用實現的，所以斷點設置在sys_clone。
本次實驗經過實踐，調試應按照如下順序進行。linux

  1. 配置好menuos，使用fork命令
  2. 先設置sys_clone斷點
  3. 運行到sys_clone後，設置其它斷點`
  4. 進入do_fork函數
  5. 在do_fork函數中會調用copy_process
  6. 在copy_process中調用dup_task_struct
  7. 在copy_process中調用copy_thread
  8. 子進程ret

實驗過程流程圖

參考資料

《庖丁解牛Linux》
Linux中fork，vfork和clone詳解（區別與聯繫）安全

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