310 lines
12 KiB
Markdown
310 lines
12 KiB
Markdown
# 18 | 进程的创建：如何发起一个新项目？
|
||
|
||
前面我们学习了如何使用fork创建进程，也学习了进程管理和调度的相关数据结构。这一节，我们就来看一看，创建进程这个动作在内核里都做了什么事情。
|
||
|
||
fork是一个系统调用，根据咱们讲过的系统调用的流程，流程的最后会在sys\_call\_table中找到相应的系统调用sys\_fork。
|
||
|
||
sys\_fork是如何定义的呢？根据SYSCALL\_DEFINE0这个宏的定义，下面这段代码就定义了sys\_fork。
|
||
|
||
```
|
||
SYSCALL_DEFINE0(fork)
|
||
{
|
||
......
|
||
return _do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
sys\_fork会调用\_do\_fork。
|
||
|
||
```
|
||
long _do_fork(unsigned long clone_flags,
|
||
unsigned long stack_start,
|
||
unsigned long stack_size,
|
||
int __user *parent_tidptr,
|
||
int __user *child_tidptr,
|
||
unsigned long tls)
|
||
{
|
||
struct task_struct *p;
|
||
int trace = 0;
|
||
long nr;
|
||
|
||
|
||
......
|
||
p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
|
||
child_tidptr, NULL, trace, tls, NUMA_NO_NODE);
|
||
......
|
||
if (!IS_ERR(p)) {
|
||
struct pid *pid;
|
||
pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
|
||
nr = pid_vnr(pid);
|
||
|
||
|
||
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
|
||
put_user(nr, parent_tidptr);
|
||
|
||
|
||
......
|
||
wake_up_new_task(p);
|
||
......
|
||
put_pid(pid);
|
||
}
|
||
......
|
||
|
||
```
|
||
|
||
## fork的第一件大事：复制结构
|
||
|
||
\_do\_fork里面做的第一件大事就是copy\_process，咱们前面讲过这个思想。如果所有数据结构都从头创建一份太麻烦了，还不如使用惯用“伎俩”，Ctrl C + Ctrl V。
|
||
|
||
这里我们再把task\_struct的结构图拿出来，对比着看如何一个个复制。
|
||
|
||
|
||
|
||
```
|
||
static __latent_entropy struct task_struct *copy_process(
|
||
unsigned long clone_flags,
|
||
unsigned long stack_start,
|
||
unsigned long stack_size,
|
||
int __user *child_tidptr,
|
||
struct pid *pid,
|
||
int trace,
|
||
unsigned long tls,
|
||
int node)
|
||
{
|
||
int retval;
|
||
struct task_struct *p;
|
||
......
|
||
p = dup_task_struct(current, node);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
dup\_task\_struct主要做了下面几件事情：
|
||
|
||
* 调用alloc\_task\_struct\_node分配一个task\_struct结构；
|
||
|
||
* 调用alloc\_thread\_stack\_node来创建内核栈，这里面调用\_\_vmalloc\_node\_range分配一个连续的THREAD\_SIZE的内存空间，赋值给task\_struct的void \*stack成员变量；
|
||
|
||
* 调用arch\_dup\_task\_struct(struct task\_struct \*dst, struct task\_struct \*src)，将task\_struct进行复制，其实就是调用memcpy；
|
||
|
||
* 调用setup\_thread\_stack设置thread\_info。
|
||
|
||
|
||
到这里，整个task\_struct复制了一份，而且内核栈也创建好了。
|
||
|
||
我们再接着看copy\_process。
|
||
|
||
```
|
||
retval = copy_creds(p, clone_flags);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
轮到权限相关了，copy\_creds主要做了下面几件事情：
|
||
|
||
* 调用prepare\_creds，准备一个新的struct cred \*new。如何准备呢？其实还是从内存中分配一个新的struct cred结构，然后调用memcpy复制一份父进程的cred；
|
||
|
||
* 接着p->cred = p->real\_cred = get\_cred(new)，将新进程的“我能操作谁”和“谁能操作我”两个权限都指向新的cred。
|
||
|
||
|
||
接下来，copy\_process重新设置进程运行的统计量。
|
||
|
||
```
|
||
p->utime = p->stime = p->gtime = 0;
|
||
p->start_time = ktime_get_ns();
|
||
p->real_start_time = ktime_get_boot_ns();
|
||
|
||
```
|
||
|
||
接下来，copy\_process开始设置调度相关的变量。
|
||
|
||
```
|
||
retval = sched_fork(clone_flags, p);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
sched\_fork主要做了下面几件事情：
|
||
|
||
* 调用\_\_sched\_fork，在这里面将on\_rq设为0，初始化sched\_entity，将里面的exec\_start、sum\_exec\_runtime、prev\_sum\_exec\_runtime、vruntime都设为0。你还记得吗，这几个变量涉及进程的实际运行时间和虚拟运行时间。是否到时间应该被调度了，就靠它们几个；
|
||
|
||
* 设置进程的状态p->state = TASK\_NEW；
|
||
|
||
* 初始化优先级prio、normal\_prio、static\_prio；
|
||
|
||
* 设置调度类，如果是普通进程，就设置为p->sched\_class = &fair\_sched\_class；
|
||
|
||
* 调用调度类的task\_fork函数，对于CFS来讲，就是调用task\_fork\_fair。在这个函数里，先调用update\_curr，对于当前的进程进行统计量更新，然后把子进程和父进程的vruntime设成一样，最后调用place\_entity，初始化sched\_entity。这里有一个变量sysctl\_sched\_child\_runs\_first，可以设置父进程和子进程谁先运行。如果设置了子进程先运行，即便两个进程的vruntime一样，也要把子进程的sched\_entity放在前面，然后调用resched\_curr，标记当前运行的进程TIF\_NEED\_RESCHED，也就是说，把父进程设置为应该被调度，这样下次调度的时候，父进程会被子进程抢占。
|
||
|
||
|
||
接下来，copy\_process开始初始化与文件和文件系统相关的变量。
|
||
|
||
```
|
||
retval = copy_files(clone_flags, p);
|
||
retval = copy_fs(clone_flags, p);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
copy\_files主要用于复制一个进程打开的文件信息。这些信息用一个结构files\_struct来维护，每个打开的文件都有一个文件描述符。在copy\_files函数里面调用dup\_fd，在这里面会创建一个新的files\_struct，然后将所有的文件描述符数组fdtable拷贝一份。
|
||
|
||
copy\_fs主要用于复制一个进程的目录信息。这些信息用一个结构fs\_struct来维护。一个进程有自己的根目录和根文件系统root，也有当前目录pwd和当前目录的文件系统，都在fs\_struct里面维护。copy\_fs函数里面调用copy\_fs\_struct，创建一个新的fs\_struct，并复制原来进程的fs\_struct。
|
||
|
||
接下来，copy\_process开始初始化与信号相关的变量。
|
||
|
||
```
|
||
init_sigpending(&p->pending);
|
||
retval = copy_sighand(clone_flags, p);
|
||
retval = copy_signal(clone_flags, p);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
copy\_sighand会分配一个新的sighand\_struct。这里最主要的是维护信号处理函数，在copy\_sighand里面会调用memcpy，将信号处理函数sighand->action从父进程复制到子进程。
|
||
|
||
init\_sigpending和copy\_signal用于初始化，并且复制用于维护发给这个进程的信号的数据结构。copy\_signal函数会分配一个新的signal\_struct，并进行初始化。
|
||
|
||
接下来，copy\_process开始复制进程内存空间。
|
||
|
||
```
|
||
retval = copy_mm(clone_flags, p);
|
||
|
||
```
|
||
|
||
进程都有自己的内存空间，用mm\_struct结构来表示。copy\_mm函数中调用dup\_mm，分配一个新的mm\_struct结构，调用memcpy复制这个结构。dup\_mmap用于复制内存空间中内存映射的部分。前面讲系统调用的时候，我们说过，mmap可以分配大块的内存，其实mmap也可以将一个文件映射到内存中，方便可以像读写内存一样读写文件，这个在内存管理那节我们讲。
|
||
|
||
接下来，copy\_process开始分配pid，设置tid，group\_leader，并且建立进程之间的亲缘关系。
|
||
|
||
```
|
||
INIT_LIST_HEAD(&p->children);
|
||
INIT_LIST_HEAD(&p->sibling);
|
||
......
|
||
p->pid = pid_nr(pid);
|
||
if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
|
||
p->exit_signal = -1;
|
||
p->group_leader = current->group_leader;
|
||
p->tgid = current->tgid;
|
||
} else {
|
||
if (clone_flags & CLONE_PARENT)
|
||
p->exit_signal = current->group_leader->exit_signal;
|
||
else
|
||
p->exit_signal = (clone_flags & CSIGNAL);
|
||
p->group_leader = p;
|
||
p->tgid = p->pid;
|
||
}
|
||
......
|
||
if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD)) {
|
||
p->real_parent = current->real_parent;
|
||
p->parent_exec_id = current->parent_exec_id;
|
||
} else {
|
||
p->real_parent = current;
|
||
p->parent_exec_id = current->self_exec_id;
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
好了，copy\_process要结束了，上面图中的组件也初始化的差不多了。
|
||
|
||
## fork的第二件大事：唤醒新进程
|
||
|
||
\_do\_fork做的第二件大事是wake\_up\_new\_task。新任务刚刚建立，有没有机会抢占别人，获得CPU呢？
|
||
|
||
```
|
||
void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
|
||
{
|
||
struct rq_flags rf;
|
||
struct rq *rq;
|
||
......
|
||
p->state = TASK_RUNNING;
|
||
......
|
||
activate_task(rq, p, ENQUEUE_NOCLOCK);
|
||
p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
|
||
trace_sched_wakeup_new(p);
|
||
check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
首先，我们需要将进程的状态设置为TASK\_RUNNING。
|
||
|
||
activate\_task函数中会调用enqueue\_task。
|
||
|
||
```
|
||
static inline void enqueue_task(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
|
||
{
|
||
.....
|
||
p->sched_class->enqueue_task(rq, p, flags);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
如果是CFS的调度类，则执行相应的enqueue\_task\_fair。
|
||
|
||
```
|
||
static void
|
||
enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
|
||
{
|
||
struct cfs_rq *cfs_rq;
|
||
struct sched_entity *se = &p->se;
|
||
......
|
||
cfs_rq = cfs_rq_of(se);
|
||
enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);
|
||
......
|
||
cfs_rq->h_nr_running++;
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在enqueue\_task\_fair中取出的队列就是cfs\_rq，然后调用enqueue\_entity。
|
||
|
||
在enqueue\_entity函数里面，会调用update\_curr，更新运行的统计量，然后调用\_\_enqueue\_entity，将sched\_entity加入到红黑树里面，然后将se->on\_rq = 1设置在队列上。
|
||
|
||
回到enqueue\_task\_fair后，将这个队列上运行的进程数目加一。然后，wake\_up\_new\_task会调用check\_preempt\_curr，看是否能够抢占当前进程。
|
||
|
||
在check\_preempt\_curr中，会调用相应的调度类的rq->curr->sched\_class->check\_preempt\_curr(rq, p, flags)。对于CFS调度类来讲，调用的是check\_preempt\_wakeup。
|
||
|
||
```
|
||
static void check_preempt_wakeup(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags)
|
||
{
|
||
struct task_struct *curr = rq->curr;
|
||
struct sched_entity *se = &curr->se, *pse = &p->se;
|
||
struct cfs_rq *cfs_rq = task_cfs_rq(curr);
|
||
......
|
||
if (test_tsk_need_resched(curr))
|
||
return;
|
||
......
|
||
find_matching_se(&se, &pse);
|
||
update_curr(cfs_rq_of(se));
|
||
if (wakeup_preempt_entity(se, pse) == 1) {
|
||
goto preempt;
|
||
}
|
||
return;
|
||
preempt:
|
||
resched_curr(rq);
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在check\_preempt\_wakeup函数中，前面调用task\_fork\_fair的时候，设置sysctl\_sched\_child\_runs\_first了，已经将当前父进程的TIF\_NEED\_RESCHED设置了，则直接返回。
|
||
|
||
否则，check\_preempt\_wakeup还是会调用update\_curr更新一次统计量，然后wakeup\_preempt\_entity将父进程和子进程PK一次，看是不是要抢占，如果要则调用resched\_curr标记父进程为TIF\_NEED\_RESCHED。
|
||
|
||
如果新创建的进程应该抢占父进程，在什么时间抢占呢？别忘了fork是一个系统调用，从系统调用返回的时候，是抢占的一个好时机，如果父进程判断自己已经被设置为TIF\_NEED\_RESCHED，就让子进程先跑，抢占自己。
|
||
|
||
## 总结时刻
|
||
|
||
好了，fork系统调用的过程咱们就解析完了。它包含两个重要的事件，一个是将task\_struct结构复制一份并且初始化，另一个是试图唤醒新创建的子进程。
|
||
|
||
这个过程我画了一张图，你可以对照着这张图回顾进程创建的过程。
|
||
|
||
这个图的上半部分是复制task\_struct结构，你可以对照着右面的task\_struct结构图，看这里面的成员是如何一部分一部分地被复制的。图的下半部分是唤醒新创建的子进程，如果条件满足，就会将当前进程设置应该被调度的标识位，就等着当前进程执行\_\_schedule了。
|
||
|
||
|
||
|
||
## 课堂练习
|
||
|
||
你可以试着设置sysctl\_sched\_child\_runs\_first参数，然后使用系统调用写程序创建进程，看看执行结果。
|
||
|
||
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。
|
||
|
||
|
||
|