Linux内核设计与实现

进程管理一、FORK()函数的两次返回的具体情况对于fork来说，父子进程共享同一段代码空间，所以给人的感觉好像是有两次返回，其实对于调用fork的父进程来说，如果fork出来的子进程没有得到调度，那么父进程从fork系统调用返回，同时分析sys_fork知道，fork返回的是子进程的id。再看fork出来的子进程，由copy_process函数可以看出，子进程的返回地址为ret_from_fork（和父进程在同一个代码点上返回），返回值直接置为0。所以当子进程得到调度的时候，也从fork返回，返回值为0。关键注意两点：1.fork返回后，父进程或子进程的执行位置。（首先会将当前进程eax的值做为返回值）2.两次返回的pid存放的位置。（eax中）进程调用copy_process得到lastpid的值（放入eax中，fork正常返回后，父进程中返回的就是lastpid）子进程任务状态段tss的eax被设置成0，fork.c中p-tss.eax=0;（如果子进程要执行就需要进程切换，当发生切换时，子进程tss中的eax值就调入eax寄存器，子进程执行时首先会将eax的内容做为返回值）当子进程开始执行时，copy_process返回eax的值。fork()后,就是两个任务同时进行,父进程用他的tss,子进程用自己的tss,在切换时,各用各的eax中的值.所以，“一次调用两次返回”是2个不同的进程！例子：intmain(){pid_tpid;pid=fork();if(pid0){fprintf(stderr,ForkFailed);exit(-1);}elseif(pid==0){printf(childprocess\\n);}else{printf(parentprocess\\n);}return0;}这个程序执行为什么总是显示:childprocessparentprocess而不会先是parent后是child呢?答：看这一句：pid＝fork()当执行这一句时，当前进程进入fork()运行，此时，fork()内会用一段嵌入式汇编进行系统调用：int0x80（具体代码可参见内核版本0.11的unistd.h文件的133行_syscall0函数）。这时进入内核根据此前写入eax的系统调用功能号便会运行sys_fork系统调用。接着，sys_fork中首先会调用C函数find_empty_process产生一个新的进程，然后会调用C函数copy_process将父进程的内容复制给子进程，但是子进程tss中的eax值赋值为0（这也是为什么子进程中返回0的原因），当赋值完成后，copy_process会返回新进程（该子进程）的linux进程描述符—task_struct结构为了管理进程，操作系统必须对每个进程所做的事情进行清楚地描述，为此，操作系统使用数据结构来代表处理不同的实体，这个数据结构就是通常所说的进程描述符或进程控制块，在linux系统中，这就是task_struct结构，在include\linux\sched.h文件中定义。每个进程都会被分配一个task_struct结构，它包含了这个进程的所有信息，在任何时候操作系统都能跟踪这个结构的信息，这个结构是linux内核汇总最重要的数据结构，下面我们会详细的介绍。这个结构的源代码及其注释如下，之后对其进行了分类解释。//进程描述符task_structstructtask_struct{/**offsetsofthesearehardcodedelsewhere-touchwithcare*/volatilelongstate;/*-1unrunnable,0runnable,0stopped*///-1不能运行0运行0停止unsignedlongflags;/*perprocessflags,definedbelow*///进程标志,在下面定义intsigpending;//进程上是否有待处理的信号mm_segment_taddr_limit;/*threadaddressspace:进程地址空间0-0xBFFFFFFFforuser-thead0-0xFFFFFFFFforkernel-thread*/volatilelongneed_resched;//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度intlock_depth;/*Lockdepth*///锁深度/**offset32beginshereon32-bitplatforms.Wekeep*allfieldsinasinglecachelinethatareneededfor*thegoodness()loopinschedule().*/longcounter;//进程可运行的时间量longnice;//进程的基本时间片unsignedlongpolicy;//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR;分时进程:SCHED_OTHER;structmm_struct*mm;//进程内存管理信息intprocessor;/**cpus_runnableis~0iftheprocessisnotrunningonany*CPU.It's(1cpu)ifit'srunningonaCPU.Thismask*isupdatedundertherunqueuelock.**TodeterminewhetheraprocessmightrunonaCPU,this*maskisAND-edwithcpus_allowed.*若进程不在任何CPU上运行，cpus_runnable的值是0，否则是1。这个值在运行*队列被锁时更新；*/unsignedlongcpus_runnable,cpus_allowed;/**(onlythe'next'pointerfitsintothecacheline,but*that'sjustfine.)*/structlist_headrun_list;//指向运行队列的指针unsignedlongsleep_time;//进程的睡眠时间structtask_struct*next_task,*prev_task;//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表,其根是init_task.structmm_struct*active_mm;structlist_headlocal_pages;//指向本地页面unsignedintallocation_order,nr_local_pages;/*taskstate*/structlinux_binfmt*binfmt;//进程所运行的可执行文件的格式intexit_code,exit_signal;intpdeath_signal;/*Thesignalsentwhentheparentdies*///父进程终止是向子进程发送的信号/*???*/unsignedlongpersonality;//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序intdid_exec:1;//按POSIX要求设计的布尔量,区分进程正在执行从父进程中继承的代码,还是执行由execve装入的新程序代码pid_tpid;//进程标识符,用来代表一个进程pid_tpgrp;//进程组标识,表示进程所属的进程组pid_ttty_old_pgrp;//进程控制终端所在的组标识pid_tsession;//进程的会话标识pid_ttgid;/*booleanvalueforsessiongroupleader*/intleader;//标志,表示进程是否为会话主管/**pointersto(original)parentprocess,youngestchild,youngersibling,*oldersibling,respectively.(p-fathercanbereplacedwith*p-p_pptr-pid)*///指针指向（原始的）父进程，孩子进程，比自己年轻的兄弟进程，比自己年长的兄弟进程//（p-father能被p-p_pptr-pid代替)structtask_struct*p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;structlist_headthread_group;//线程链表/*PIDhashtablelinkage.*///进程散列表指针structtask_struct*pidhash_next;//用于将进程链入HASH表pidhashstructtask_struct**pidhash_pprev;wait_queue_head_twait_chldexit;/*forwait4()*///wait4()使用structcompletion*vfork_done;/*forvfork()*///vfork()使用unsignedlongrt_priority;//实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies。系统根据it_real_value//设置定时器的第一个终止时间。在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据it_real_incr重置终止时间//it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使//it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使//it_virt_value值减一，当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据it_virt_incr重置初值。//Real定时器根据系统时间实时更新，不管进程是否在运行//Virtual定时器只在进程运行时，根据进程在用户态消耗的时间更新//Profile定时器在进程运行时，根据进程消耗的时（不管在用户态还是内核态）更新unsignedlongit_real_value,it_prof_value,it_virt_value;unsignedlongit_real_incr,it_prof_incr,it_virt_value;structtimer_listreal_timer;//指向实时定时器的指针structtmstimes;//记录进程消耗的时间，unsignedlongstart_time;//进程创建的时间longper_cpu_utime[NR_CPUS],per_cpu_stime[NR_CPUS];//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间/*mmfaultandswapinfo:thiscanarguablybeseenaseithermm-specificorthread-specific*///内存缺页和交换信息：//min_flt,maj_flt累计进程的次缺页数（CopyonWrite页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换设备读入的页面数）；//nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。//cmin_flt,cmaj_flt,cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。在父进程//回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中unsignedlongmin_flt,maj_flt,nswap,cmin_flt,cmaj_flt,cnswap;intswappable:1;//表示进程的虚拟地址空间是否允许换出/*processcredential