原创 Linux 进程创建

作者：李智敏,华清远见嵌入式学院上海分中心讲师。

在 Linux 内核内，进程是由相当大的一个称为 task_struct 的结构表示的。此结构包含所有表示此进程所必需的数据，此外，还包含了大量的其他数据用来统计（accounting）和维护与其他进程的关系（父和子）。下面给出了 task_struct 的一小部分。task_struct 位于 ./linux/include/linux/sched.h。

struct task_struct {

        volatile long state;
                void *stack;
                unsigned int flags;

        int prio, static_prio;

        struct list_head tasks;

        struct mm_struct *mm, *active_mm;

        pid_t pid;
                pid_t tgid;

        struct task_struct *real_parent;

        char comm[TASK_COMM_LEN];

        struct thread_struct thread;

        struct files_struct *files;

        ...

};

在task_struct中，可以看到几个预料之中的项，比如执行的状态、堆栈、一组标志、父进程、执行的线程（可以有很多）以及开放文件。对其做简单声明如下

<1> state 变量是一些表明任务状态的比特位。最常见的状态有：
        1．TASK_RUNNING 表示进程正在运行，或是排在运行队列中正要运行
        2．TASK_INTERRUPTIBLE 表示进程正在休眠
        3．TASK_UNINTERRUPTIBLE 表示进程正在休眠但不能叫醒
        4．TASK_STOPPED 表示进程停止

注：这些标志的完整列表可以在 ./linux/include/linux/sched.h 内找到。

<2> flags 定义了很多指示符，表明进程是否正在被创建（PF_STARTING）或退出（PF_EXITING），或是进程当前是否在分配内存（PF_MEMALLOC）。

<3> 每个进程都会被赋予优先级（称为 static_prio），但进程的实际优先级是基于加载以及其他几个因素动态决定的。优先级值越低，实际的优先级越高。

<4> tasks 字段提供了链接列表的能力。它包含一个 prev 指针（指向前一个任务）和一个 next 指针（指向下一个任务）。

<5> 进程的地址空间由 mm 和 active_mm 字段表示。mm 代表的是进程的内存描述符，而 active_mm 则是前一个进程的内存描述符（为改进上下文切换时间的一种优化）。

<6> 可执行程序的名称（不包含路径）占用 comm（命令）字段。

<7> thread_struct 则用来标识进程的存储状态。此元素依赖于 Linux 在其上运行的特定架构，在 ./linux/include/asm-i386/processor.h 内有这样的一个例子。在此结构内，可以找到该进程自执行上下文切换后的存储（硬件注册表、程序计数器等）。

在很多情况下，进程都是动态创建并由一个动态分配的 task_struct 表示。当然 init 进程例外，它总是存在并由一个静态分配的 task_struct 表示。

Linux 内所有进程的分配有两种方式。第一种方式是通过一个哈希表，由 PID 值进行哈希计算得到；第二种方式是通过双链循环表。循环表非常适合于对任务列表进行迭代。由于列表是循环的，没有头或尾；但是由于 init_task 总是存在，所以可以将其用作继续向前迭代的一个锚点。

任务列表无法从用户空间访问，但该问题很容易解决，方法是以模块形式向内核内插入代码。例如通过如下代码，它会迭代任务列表并会提供有关每个任务的少量信息（name、pid 和 parent 名）。

struct task_struct *task = &init_task;

/* Walk through the task list, until we hit the init_task again */
        do {

        printk( KERN_INFO "*** %s [%d] parent %s\n",
                        task->comm, task->pid, task->parent->comm );

} while ( (task = next_task(task)) != &init_task );

注意，还可以标识当前正在运行的任务。Linux 维护一个称为 current 的符号，代表的是当前运行的进程（类型是 task_struct）。为此可使用如下代码：
printk( KERN_INFO, "Current task is %s [%d]”, current->comm, current->pid );

Linux创建用户空间进程的情况与内核空间进程类似。二者底层机制是一致的，因为最终都会依赖于一个名为 do_fork 的函数来创建新进程。

在创建内核线程时，内核会调用一个名为 kernel_thread 的函数（参见 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函数执行某些初始化后会调用 do_fork。

在用户空间，一个程序会调用 fork，这会导致对名为 sys_fork 的内核函数的系统调用（参见 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。

do_fork 是进程创建的基础。可以在 ./linux/kernel/fork.c 内找到 do_fork 函数（以及相关函数 copy_process）。

do_fork 函数首先调用 alloc_pidmap，该调用会分配一个新的 PID。接下来，do_fork 检查调试器是否在跟踪父进程。如果是，在 clone_flags 内设置 CLONE_PTRACE 标志以做好执行 fork 操作的准备。之后 do_fork 函数还会调用 copy_process，向其传递这些标志、堆栈、注册表、父进程以及最新分配的 PID。

新的进程在 copy_process 函数内作为父进程的一个副本创建。此函数能执行除启动进程之外的所有操作，启动进程在之后进行处理。copy_process 内的第一步是验证 CLONE 标志以确保这些标志是一致的。如果不一致，就会返回 EINVAL 错误。接下来，询问 Linux Security Module (LSM) 看当前任务是否可以创建一个新任务。

接下来，调用 dup_task_struct 函数（./linux/kernel/fork.c ），这会分配一个新 task_struct 并将当前进程的描述符复制到其内。在新的线程堆栈设置好后，一些状态信息也会被初始化，并且会将控制返回给 copy_process。控制回到 copy_process 后，除了其他几个限制和安全检查之外，还会执行一些常规管理，包括在新 task_struct 上的各种初始化。之后，会调用一系列复制函数来复制此进程的各个方面，比如复制开放文件描述符（copy_files）、复制符号信息（copy_sighand 和 copy_signal）、复制进程内存（copy_mm）以及最终复制线程（copy_thread）。

之后，这个新任务会被指定给一个处理程序，同时对允许执行进程的处理程序进行额外的检查（cpus_allowed）。新进程的优先级从父进程的优先级继承后，执行一小部分额外的常规管理，而且控制也会被返回给 do_fork。在此时，新进程存在但尚未运行。do_fork 函数通过调用 wake_up_new_task 来修复此问题。此函数（./linux/kernel/sched.c ）初始化某些调度程序的常规管理信息，将新进程放置在运行队列之内，然后将其唤醒以便执行。最后，一旦返回至 do_fork，此 PID 值即被返回给调用程序，进程完成。