2018-2019-1 20189213《Linux核心原理與分析》第七週作業
程序的描述和程序的建立
1.課本基礎知識彙總
作業系統核心實現作業系統的三大管理功能：即程序管理、記憶體管理、檔案系統。
對程序的描述：
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。
對程序狀態的描述:
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,另外再加上一個阻塞態；當程序是TASK_RUNNING狀態時，它是可執行的，也就是就緒態，是否在執行取決於它有沒有獲得CPU的控制權，也就是說這個程序有沒有在CPU中實際執行。如果在CPU中實際執行了，程序狀態就是執行態；如果被核心排程出去了，在等待佇列裡就是就緒態。
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，即程序的終止狀態。TASK_ZOMBIE狀態的程序一般叫做殭屍程序，Linux核心會在適當的時候把殭屍程序給處理掉，之後釋放程序描述符。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，阻塞態也分為兩種：TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE。前者可以被訊號和wake_up()喚醒，而後者只能被wake_up()喚醒。
程序的建立
Linux中建立程序一共有三個函式：
- fork，建立子程序；
- vfork，與fork類似，但是父子程序共享地址空間，而且子程序先於父程序執行；
- clone，主要用於建立執行緒。
程序建立的相關主要程式碼：
通過上面的程式碼可以看出，fork、vfork和clone這3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。
程序建立中的幾個關鍵函式：
do_fork()：建立程序。
copy_process()：建立程序內容（呼叫dup_task_struct、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）。
dup_task_struct()：複製當前程序（父程序）描述符task_struct，分配子程序核心棧。
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
本實驗主要用來跟蹤分析程序建立的完整過程，首先我們在MenuOS裡增加一個命令fork：
然後MenuOS正常執行，發現裡面也多了fork命令，我們執行fork命令：
下面我們使用gdb來進行跟蹤除錯：
由於fork指令實際上執行的就是sys_clone，所以我們可以在sys_clone、do_fork、dup_task_struct、copy_process、copy_thread、ret_from_fork等處各設定斷點：
然後開始執行，發現只輸出了一個命令描述，後面並沒有執行，而是停在了sys_clone這裡：
再繼續執行，停在copy_process：
再繼續執行，停在dup_task_struct函式，進入dup_task_struct內部，將當前程序核心壓棧壓得那一部分暫存器複製到子程序中，以及賦值子程序的起點。
問題
為什麼在建立子程序的時候，直接拷貝父程序的堆疊資訊到子程序中？
答：為了返回時是一致的狀態。
子程序退出時是否發生程序切換呢？
答：在syscall_exit中會呼叫syscall_exit_work函式。然後呼叫resume_userspace的時候就有可能會發生程序切換。
使用fork系統呼叫建立程序時，是否是先列印父程序後列印子程序？
答：父子程序的執行順序和相應的排程演算法密切相關，執行時執行順序是不確定的。
總結
程序是通過程序控制塊PCB來進行描述的，而核心要描述程序的結構，我們也稱其為程序描述符，下圖是程序描述符的結構示意圖：
實際上，使用者空間的暫存器、使用者態堆疊等資訊在切換到核心態的上下文時儲存在核心棧中，父程序在核心態（dup_task_struct）複製出子程序，但子程序作為一個獨立的程序，之後被排程執行時必須有一個指令地址，程序切換時，ip地址及當前核心棧的位置esp都存在於thread_info中，由copy_thread設定其thread.ip指向ret_from_fork作為子程序執行的第一條語句，並完成了核心態到使用者態的切換。