结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程
结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核一般执行过程
- 以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
- 分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
- 分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
- 以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程
一.fork分析
fork：fork系统调用用于创建一个新进程，称为子进程，它与进程（称为系统调用fork的进程）同时运行，此进程称为父进程。创建新的子进程后，两个进程将执行fork（）系统调用之后的下一条指令。
使用如下代码进行分析上下文切换：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main (){
pid_t pid;
pid = fork();
if (pid < 0){
printf("error in fork!\n");
}
else if (pid == 0){
printf("i am the child process, my process id is %d\n",getpid());
}
else{
printf("i am the parent process, my process id is %d\n",getpid());
}
return 0;
}将以上代码静态编译为可执行程序fork，在_do_fork上断点，运行程序：
查看函数调用堆栈：
可以看到，在执行fork函数时，最终通过_do_fork来完成这一系统调用。查看_do_fork的实现：
long _do_fork(struct kernel_clone_args *args)
{
u64 clone_flags = args->flags;
struct completion vfork;
struct pid *pid;
struct task_struct *p;
int trace = 0;
long nr;
/*
* Determine whether and which event to report to ptracer. When
* called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly
* requested, no event is reported; otherwise, report if the event
* for the type of forking is enabled.
*/
if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
if (clone_flags & CLONE_VFORK)
trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
else if (args->exit_signal != SIGCHLD)
trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
else
trace = PTRACE_EVENT_FORK;
if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
trace = 0;
}
p = copy_process(NULL, trace, NUMA_NO_NODE, args);
add_latent_entropy();
if (IS_ERR(p))
return PTR_ERR(p);
/*
* Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
* might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
*/
trace_sched_process_fork(current, p);
pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
nr = pid_vnr(pid);
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
put_user(nr, args->parent_tid);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
p->vfork_done = &vfork;
init_completion(&vfork);
get_task_struct(p);
}
wake_up_new_task(p);
/* forking complete and child started to run, tell ptracer */
if (unlikely(trace))
ptrace_event_pid(trace, pid);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
}
put_pid(pid);
return nr;
}从代码中可以看到，_do_fork的执行过程大致如下：
1.调用 copy_process 为子进程复制出一份进程信息
2.如果是 vfork（设置了CLONE_VFORK和ptrace标志）初始化完成处理信息
3.调用 wake_up_new_task 将子进程加入调度器，为之分配 CPU
4.如果是 vfork，父进程等待子进程完成 exec 替换自己的地址空间
其中copy_process做了如下操作：
1.调用 dup_task_struct 复制当前的 task_struct
2.检查进程数是否超过限制
3.初始化自旋锁、挂起信号、CPU 定时器等
4.调用 sched_fork 初始化进程数据结构，并把进程状态设置为 TASK_RUNNING
5.复制所有进程信息，包括文件系统、信号处理函数、信号、内存管理等
6.调用 copy_thread_tls 初始化子进程内核栈
7.为新进程分配并设置新的 pid
二. execve分析
execve函数作用是执行一个新的程序，程序可以是二进制的可执行程序，也可以是shell、pathon脚本
使用如下代码进行分析execve：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[]){
int pid;
pid = fork();
if (pid < 0){
fprintf(stderr, "Fork Failed!\n");
exit(-1);
}
else if (pid == 0){
execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
}
else{
printf("Child Complete!\n");
exit(0);
}
}断点在do_execve，可以看到函数调用堆栈如下：
查看do_execve方法可以发现其调用链如下：do_execve -> do_execveat_common -> _do_execve_file。最终 的逻辑在_do_execve_file中实现。
三、fork和execve的区别
fork在原进程的基础上创建一个新进程，对于新创建的进程需要重新设置上下文环境，而execve会覆盖原进程的上下文环境而非创建一个新进程。
四、Linux系统的一般执行过程
1）正在运?的?户态进程X
2）发?中断（包括异常、系统调?等），CPU完成以下动作。
save cs:eip/ss:esp/eflags：当前CPU上下?压?进程X的内核堆栈。
load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)：加载当前进程内核堆栈相关信息，跳转到中断处理程序，即中断执?路径的起点。
3）SAVE_ALL，保存现场，此时完成了中断上下?切换，即从进程X的?户态到进程X的内核态。
4）中断处理过程中或中断返回前调?了schedule函数，其中的switch_to做了关键的进程上下?切换。将当前进程X的内核堆栈切换到进程调度算法选出来的next进程
（本例假定为进程Y）的内核堆栈，并完成了进程上下?所需的EIP等寄存器状态切换。
5）标号1，即前述3.18.6内核的swtich_to代码第50?“”1:\t“ ”（地址为switch_to中的“$1f”），之后开始运?进程Y（这?进程Y曾经通过以上步骤被切换出去，因此可以
从标号1继续执?）
6）restore_all，恢复现场，与（3）中保存现场相对应。注意这?是进程Y的中断处理过程中，?（3）中保存现场是在进程X的中断处理过程中，因为内核堆栈从进程X
切换到进程Y了
7）iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（2）中硬件完成的压栈内容。此时完成了中断上下?的切换，即从进程Y的内核态返回到进程Y的?户态
8）继续运??户态进程Y