課本：第六章 程序的描述和程序的建立

• 作業系統核心實現作業系統的三大管理功能
  • 程序管理
  • 記憶體管理
  • 檔案系統
• 在作業系統原理中，通過程序控制塊PCB描述程序；在Linux核心中，通過一個數據結構struct task_struct來描述程序。
• 在作業系統原理中，程序有就緒態、執行態和阻塞態；在Linux核心中，就緒態和執行態都是相同的TASK_RUNNING狀態另加上一個阻塞態。在Linux核心中，當程序是TASK_RUNNING狀態時，它是可執行的，就是就緒態，是否在執行取決於它有沒有獲得CPU的控制權。
• 對於一個正在執行的程序，呼叫使用者態庫函式exit()會陷入核心執行該核心函式do_exit()，程序會進入TASK_ZOMBIE狀態，即中止狀態，Linux核心會在適當的時候把該程序處理掉，後釋放程序描述符。一個正在執行的程序在等待特定事件或資源時會進入阻塞態，阻塞態分為兩種：TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE。前者可以被訊號和wake_up()喚醒，後者只能被wake_up()喚醒。程序狀態轉換圖如下圖所示：
  
• 在程序描述符中用pid和tgid標識程序。
• 在程序的建立時，0號程序init_task的初始化是通過硬編碼方式固定下來的，除此之外，所有其他程序的初始化都是通過do_fork複製父程序的方式初始化的。
• Linux核心中，資料結構struct thread_struct用來儲存程序上下文中CPU相關的一些狀態資訊，其內部最關鍵的是sp和ip，在x86-32位系統中，sp用來儲存程序上下文中的ESP暫存器狀態，ip用來儲存程序上下文中的EIP暫存器狀態。
• fork系統呼叫把當前程序又複製了一個子程序，也就一個程序變成了兩個程序，兩個程序執行相同的程式碼，只是fork系統呼叫在父程序和子程序中的返回值不同。
• fork、vfork和clone這三個系統呼叫和kernel_thread核心函式都可以建立一個新程序，而且都是通過do_fork函式來建立程序的，只不過傳遞的引數不同。
• do_fork函式的引數：
  • clone_flags：子程序建立相關標誌，通過此標誌可以對父程序的資源進行有選擇的複製。
  • stack_start：子程序使用者態堆疊的地址。
  • regs：指向pt_regs結構體的指標。當發生系統呼叫時，int指令和SAVE_ALL儲存現場等會將CPU暫存器中的值按順序壓入核心棧。為了便於訪問操作，這部分資料被定義為pt_regs結構體。
  • stack_size：使用者態棧的大小，通常不必要，設定為0。
  • parent_tidptr和child_tidptr：父程序、子程序使用者態下的pid地址。
• 程序的建立中幾個關鍵函式：
  • do_fork()：建立程序
  • copy_process()：建立程序內容
  • dup_task_struct()：複製程序描述符、資訊檢查、初始化、更改程序狀態、複製其他程序資源、呼叫copy_thread初始化子程序核心棧、設定子程序pid等
  • copy_thread()：核心棧關鍵資訊初始化

實驗：分析Linux核心建立一個新程序的過程