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Linux进程的创建，执行与切换

分类: 文章 • 2023-01-23 00:15:10

林弋力
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原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

实验目的

理解Linux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

实验步骤

进程创建

在http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/include/linux/sched.h#1235中可以看到有如下代码段：
Linux进程的创建，执行与切换
进程管理是操作系统提供的最基本的功能之一
为了描述进程，用进程控制块PCB来唯一地定义一个进程
tast_struct中定义了进程的标识、进程的状态、进程的调度策略等。如：状态state用-1、0、>0表示三种状态。其中，各部分依次是：进程的底层信息、指向内存区域描述符的指针、进程相关的tty设备、当前目录、指向文件描述符的指针、接收到的信号

Fort、vfort、clone都可以用来创建一个新的进程，他们都是调用了do_fork函数实现的

在代码中do_fork调用了copy_process来创建进程，总结起来有如下几个步骤：
1.复制当前的tast_struct
2.初始化进程，并将状态设为TASK_RUNNING
3.复制父进程的所有信息
4.调用copy_thread初始化子进程的内核栈
5.为新的进程分配设置新的pid

可执行文件的加载

Linux环境下，fork系统调用将会创建一个与当前task完全一样的新task，直到应用程序调用exec*系列的Glibc库函数最终调用execve系统调用之后，Linux内核才开始真正装载ELF可执行文件（映像文件）。execve内核入口为sys_execve，随之调用do_execve将查找这个可执行文件，如果找到则读取ELF可执行文件的前128个字节，然后调用search_binary_handle通过ELF文件头中的e_ident得到可执行文件的Magic Number，判断出这是一个什么类型的可执行文件，并调用不同可执行文件的装载处理程序，对于ELF可执行文件而言，其装载处理程序为load_elf_binary，这个函数将会把execve系统调用的返回地址修改为ELF可执行文件的入口点，对于静态链接得到的ELF文件即文件头中定义的e_entry，对于动态链接得到的ELF可执行文件则是动态链接器。一步一步返回到sys_execve之后，因为返回地址已经被修改为了ELF程序入口地址了，所以系统调用返回到用户态之后，EIP指令寄存器将直接跳转到ELF程序入口地址，程序开始执行，装载完成。
即：fork-- execve() – sys_execve() – do_execve()

ELF头以一个16字节的序列开始，描述了生成该文件的系统的字的大小和字节顺序。ELF头剩下的部分包含帮助连接器语法分析和解释目标文件的信息。其中包括ELF头的大小、目标文件的类型（如可重定位、可执行、共享的）、机器类型（如x86-64）、节头部表的文件偏移，以及节头部表中条目的大小和数量。
编译是指编译器读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码。
源文件的编译过程包含两个主要阶段：
第一个阶段是预处理阶段，在正式的编译阶段之前进行。预处理阶段将根据已放置在文件中的预处理指令来修改源文件的内容。
第二个阶段编译、优化阶段，编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析，在确认所有的指令都符合语法规则之后，将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。

静态链接（编译时）

链接器将函数的代码从其所在地（目标文件或静态链接库中）拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合，其中的每个文件含有库中的一个或者一组相关函数的代码。
为创建可执行文件，链接器必须要完成的主要任务：
符号解析：把目标文件中符号的定义和引用联系起来;
重定位：把符号定义和内存地址对应起来，然后修改所有对符号的引用。

动态链接（加载、运行时）

在此种方式下，函数的定义在动态链接库或共享对象的目标文件中。在编译的链接阶段，动态链接库只提供符号表和其他少量信息用于保证所有符号引用都有定义，保证编译顺利通过。动态链接器(ld-linux.so)链接程序在运行过程中根据记录的共享对象的符号定义来动态加载共享库，然后完成重定位。在此可执行文件被执行时，动态链接库的全部内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。

进程的调度

调用地方：
中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()
内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度
用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度

分析switch_to中的汇编代码

调用关系：
schedule() --> context_switch() --> switch_to --> __switch_to()
汇编代码分析：

asm volatile("pushfl\n\t"      /* 保存当前进程的标志位 */   
         "pushl %%ebp\n\t"        /* 保存当前进程的堆栈基址EBP   */ 
         "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* 保存当前栈顶ESP   */ 
         "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换，从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。   */ 
       

		 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* 保存当前进程的EIP   */ 
         "pushl %[next_ip]\n\t"   /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈   */    
         __switch_canary                   
         "jmp __switch_to\n"  /* 因为是函数所以是jmp，通过寄存器传递参数，寄存器是prev-a，next-d，当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip，所以需要使用之前压栈的eip，就是pop出next_ip。  */ 


		 "1:\t"               /* 认为next进程开始执行。 */         
		 "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    
		 "popfl\n"         /* restore flags */  
                                    
		 /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中
		 prev_sp是内核堆栈栈顶
		 prev_ip是当前进程的eip */                
		 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     
		 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),  //[prev_ip]是标号        
		 "=a" (last),                 
                                    
		/* clobbered output registers: */     
		 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      
		 "=S" (esi), "=D" (edi)             
                                       
		 __switch_canary_oparam                
                                    
		 /* input parameters: 
		 next_sp下一个进程的内核堆栈的栈顶
		 next_ip下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork*/                
		 : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        
		 [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       
                                        
	     /* regparm parameters for __switch_to(): */  
		 [prev]     "a" (prev),              
		 [next]     "d" (next)               
                                    
		 __switch_canary_iparam                
                                    
		 : /* reloaded segment registers */           
		 "memory");                  
} while (0)

switch_to实现了进程之间的真正切换：

1.首先在当前进程prev的内核栈中保存esi,edi及ebp寄存器的内容。
2.然后将prev的内核堆栈指针ebp存入prev->thread.esp中。
3.把将要运行进程next的内核栈指针next->thread.esp置入esp寄存器中
4.将popl指令所在的地址保存在prev->thread.eip中，这个地址就是prev下一次被调度
5.通过jmp指令（而不是call指令）转入一个函数__switch_to()
6.恢复next上次被调离时推进堆栈的内容。从现在开始，next进程就成为当前进程而真正开始执行

实验总结

1.内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度。
2.schedule()函数实现进程调度，context_ switch完成进程上下文切换，switch_ to完成寄存器的切换。
3.用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度

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