Linux 程序建立

華清遠見嵌入式學院

上海分中心講師。

在 linux 核心內，程序是由相當大的乙個稱為 task_struct 的結構表示的。此結構包含所有表示此程序所必需的資料，此外，還包含了大量的其他資料用來統計（accounting）和維護與其他程序的關係（父和子）。下面給出了 task_struct 的一小部分。task_struct 位於 ./linux/include/linux/sched.h。

struct task_struct ;

在task_struct中，可以看到幾個預料之中的項，比如執行的狀態、堆疊、一組標誌、父程序、執行的執行緒（可以有很多）以及開放檔案。對其做簡單宣告如下

<1> state 變數是一些表明任務狀態的位元位。最常見的狀態有：

1．task_running 表示程序正在執行，或是排在執行佇列中正要執行

2．task_interruptible 表示程序正在休眠

3．task_uninterruptible 表示程序正在休眠但不能叫醒

4．task_stopped 表示程序停止

注：這些標誌的完整列表可以在 ./linux/include/linux/sched.h 內找到。

<2> flags 定義了很多指示符，表明程序是否正在被建立（pf_starting）或退出（pf_exiting），或是程序當前是否在分配記憶體（pf_memalloc）。

<3> 每個程序都會被賦予優先順序（稱為 static_prio），但程序的實際優先順序是基於載入以及其他幾個因素動態決定的。優先順序值越低，實際的優先順序越高。

<5> 程序的位址空間由 mm 和 active_mm 字段表示。mm 代表的是程序的記憶體描述符，而 active_mm 則是前乙個程序的記憶體描述符（為改進上下文切換時間的一種優化）。

<6> 可執行程式的名稱（不包含路徑）占用 comm（命令）字段。

<7> thread_struct 則用來標識程序的儲存狀態。此元素依賴於 linux 在其上執行的特定架構，在 ./linux/include/asm-i386/processor.h 內有這樣的乙個例子。在此結構內，可以找到該程序自執行上下文切換後的儲存（硬體登錄檔、程式計數器等）。

在很多情況下，程序都是動態建立並由乙個動態分配的 task_struct 表示。當然 init 程序例外，它總是存在並由乙個靜態分配的 task_struct 表示。

linux 內所有程序的分配有兩種方式。第一種方式是通過乙個雜湊表，由 pid 值進行雜湊計算得到；第二種方式是通過雙鏈迴圈表。迴圈表非常適合於對任務列表進行迭代。由於列表是迴圈的，沒有頭或尾；但是由於 init_task 總是存在，所以可以將其用作繼續向前迭代的乙個錨點。

任務列表無法從使用者空間訪問，但該問題很容易解決，方法是以模組形式向核心內插入**。例如通過如下**，它會迭代任務列表並會提供有關每個任務的少量資訊（name、pid 和 parent 名）。

struct task_struct *task = &init_task;

/* walk through the task list, until we hit the init_task again */

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

注意，還可以標識當前正在執行的任務。linux 維護乙個稱為 current 的符號，代表的是當前執行的程序（型別是 task_struct）。為此可使用如下**：

printk( kern_info, "current task is %s [%d]」, current->comm, current->pid );

linux建立使用者空間程序的情況與核心空間程序類似。二者底層機制是一致的，因為最終都會依賴於乙個名為 do_fork 的函式來建立新程序。

在建立核心執行緒時，核心會呼叫乙個名為 kernel_thread 的函式（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函式執行某些初始化後會呼叫 do_fork。

在使用者空間，乙個程式會呼叫 fork，這會導致對名為 sys_fork 的核心函式的系統呼叫（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。

do_fork 是程序建立的基礎。可以在 ./linux/kernel/fork.c 內找到 do_fork 函式（以及相關函式 copy_process）。

do_fork 函式首先呼叫 alloc_pidmap，該呼叫會分配乙個新的 pid。接下來，do_fork 檢查偵錯程式是否在跟蹤父程序。如果是，在 clone_flags 內設定 clone_ptrace 標誌以做好執行 fork 操作的準備。之後 do_fork 函式還會呼叫 copy_process，向其傳遞這些標誌、堆疊、登錄檔、父程序以及最新分配的 pid。

新的程序在 copy_process 函式內作為父程序的乙個副本建立。此函式能執行除啟動程序之外的所有操作，啟動程序在之後進行處理。copy_process 內的第一步是驗證 clone 標誌以確保這些標誌是一致的。如果不一致，就會返回 einval 錯誤。接下來，詢問 linux security module (lsm) 看當前任務是否可以建立乙個新任務。

接下來，呼叫 dup_task_struct 函式（./linux/kernel/fork.c ），這會分配乙個新 task_struct 並將當前程序的描述符複製到其內。在新的執行緒堆疊設定好後，一些狀態資訊也會被初始化，並且會將控制返回給 copy_process。控制回到 copy_process 後，除了其他幾個限制和安全檢查之外，還會執行一些常規管理，包括在新 task_struct 上的各種初始化。之後，會呼叫一系列複製函式來複製此程序的各個方面，比如複製開放檔案描述符（copy_files）、複製符號資訊（copy_sighand 和 copy_signal）、複製程序記憶體（copy_mm）以及最終複製執行緒（copy_thread）。

之後，這個新任務會被指定給乙個處理程式，同時對允許執行程序的處理程式進行額外的檢查（cpus_allowed）。新程序的優先順序從父程序的優先順序繼承後，執行一小部分額外的常規管理，而且控制也會被返回給 do_fork。在此時，新程序存在但尚未執行。do_fork 函式通過呼叫 wake_up_new_task 來修復此問題。此函式（./linux/kernel/sched.c ）初始化某些排程程式的常規管理資訊，將新程序放置在執行佇列之內，然後將其喚醒以便執行。最後，一旦返回至 do_fork，此 pid 值即被返回給呼叫程式，程序完成。

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