从linux0.11看一个进程的诞生

本文主要是介绍从linux0.11看一个进程的诞生，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

系统有一个GDT表。该表保存了系统和所有进程的tss和ldt描述符信息。tss就是我们平时说的进程上下文。每个进程有一个ldt数组，里面保存了代码段和数据段的描述符信息。
首先，从一个进程的诞生说起。我们知道，通过fork可以创建一个进程。下面我们来看一下fork的过程都做了什么事情。先通过find_empty_process获取一个可用的进程id和pcb。pid是进程id。pcb是管理进程的结构体。

int find_empty_process(void)
{int i;repeat:// 先找到一个可用的pidif ((++last_pid)<0) last_pid=1;for(i=0 ; i<NR_TASKS ; i++)if (task[i] && task[i]->pid == last_pid) goto repeat;// 再找一个可用的pcb项，从1开始，0是init进程for(i=1 ; i<NR_TASKS ; i++)if (!task[i])return i;return -EAGAIN;
}

接着调用copy_process复制父进程的信息。

/**  Ok, this is the main fork-routine. It copies the system process* information (task[nr]) and sets up the necessary registers. It* also copies the data segment in it's entirety.*/
int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,long ebx,long ecx,long edx,long fs,long es,long ds,long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)
{struct task_struct *p;int i;struct file *f;// 申请一页存pcbp = (struct task_struct *) get_free_page();if (!p)return -EAGAIN;// 挂载到全局pcb数组task[nr] = p;// 复制当前进程的数据*p = *current;	/* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;p->pid = last_pid;p->father = current->pid;p->counter = p->priority;p->signal = 0;p->alarm = 0;p->leader = 0;		/* process leadership doesn't inherit */p->utime = p->stime = 0;p->cutime = p->cstime = 0;// 当前时间p->start_time = jiffies;p->tss.back_link = 0;// 页末p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;p->tss.ss0 = 0x10;// 调用fork时压入栈的ip，子进程创建完成会从这开始执行，即if (__res >= 0) p->tss.eip = eip;p->tss.eflags = eflags;// 子进程从fork返回的是0，eax会赋值给__resp->tss.eax = 0;p->tss.ecx = ecx;p->tss.edx = edx;p->tss.ebx = ebx;p->tss.esp = esp;p->tss.ebp = ebp;p->tss.esi = esi;p->tss.edi = edi;// 段选择子是16位p->tss.es = es & 0xffff;p->tss.cs = cs & 0xffff;p->tss.ss = ss & 0xffff;p->tss.ds = ds & 0xffff;p->tss.fs = fs & 0xffff;p->tss.gs = gs & 0xffff;/*计算第nr进程在GDT中关于LDT的索引，切换任务的时候，这个索引会被加载到ldt寄存器，cpu会自动根据ldt的值，把GDT中相应位置的段描述符加载到ldt寄存器(共16+32+16位)*/p->tss.ldt = _LDT(nr); p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;if (last_task_used_math == current)__asm__("clts ; fnsave %0"::"m" (p->tss.i387));/*设置线性地址范围，挂载线性地址首地址和限长到ldt，赋值页目录项和页表执行进程的时候，tss选择子被加载到tss寄存器，然后把tss里的上下文也加载到对应的寄存器，比如cr3，ldt选择子。tss信息中的ldt索引首先从gdt找到进程ldt结构体数据的首地址，然后根据当前段的属性，比如代码段，则从cs中取得选择子，系统从ldt表中取得进程线性空间的首地址、限长、权限等信息。用线性地址的首地址加上ip中的偏移，得到线性地址，然后再通过页目录和页表得到物理地址，物理地址还没有分配则进行缺页异常等处理。*/if (copy_mem(nr,p)) {task[nr] = NULL;free_page((long) p);return -EAGAIN;}// 父子进程都有同样的文件描述符，file结构体加一for (i=0; i<NR_OPEN;i++)if (f=p->filp[i])f->f_count++;// inode节点加一if (current->pwd)current->pwd->i_count++;if (current->root)current->root->i_count++;if (current->executable)current->executable->i_count++;/*挂载tss和ldt地址到gdt，nr << 1即乘以2，这里算出的是第nr个进程距离第一个tss描述符地址的偏移，单位是8个字节，即选择描述符大小,_LDT是偏移的大小，单位是1，这里是8*/set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));p->state = TASK_RUNNING;	/* do this last, just in case */return last_pid;
}int copy_mem(int nr,struct task_struct * p)
{unsigned long old_data_base,new_data_base,data_limit;unsigned long old_code_base,new_code_base,code_limit;// 代码段限长code_limit=get_limit(0x0f);// 数据段限长data_limit=get_limit(0x17);old_code_base = get_base(current->ldt[1]);old_data_base = get_base(current->ldt[2]);if (old_data_base != old_code_base)panic("We don't support separate I&D");if (data_limit < code_limit)panic("Bad data_limit");// 设置进程的线性地址的首地址，每个进程占64MBnew_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000;p->start_code = new_code_base;// 设置线性地址到ldt的描述符中set_base(p->ldt[1],new_code_base);set_base(p->ldt[2],new_data_base);// 把父进程的页目录项和页表复制到子进程,old_data_base,new_data_base是线性地址,父子进程共享物理页面，即copy on writeif (copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit)) {free_page_tables(new_data_base,data_limit);return -ENOMEM;}return 0;
}

下面具体分析一下几个地方。
1 _LDT的宏展开如下：

/** Entry into gdt where to find first TSS. 0-nul, 1-cs, 2-ds, 3-syscall* 4-TSS0, 5-LDT0, 6-TSS1 etc ...*/
#define FIRST_TSS_ENTRY 4
#define FIRST_LDT_ENTRY (FIRST_TSS_ENTRY+1)
// 第一个tss选择子的偏移是4<<3，4乘以8，等于32，即从GDT的偏移为32开始算，第一个进程的n是0，tss是32
#define _TSS(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_TSS_ENTRY<<3))
// 第一个ldt选择子的偏移是5<<3，5乘以8，等于40，即从GDT的偏移为40开始算，第一个进程的n是0，ldt是40
#define _LDT(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_LDT_ENTRY<<3))

_LDT是计算出进程ldt在GDT表的索引。

// 设置线性地址到ldt的描述符中set_base(p->ldt[1],new_code_base);set_base(p->ldt[2],new_data_base)

/*挂载tss和ldt地址到gdt，nr << 1即乘以2，这里算出的是第nr个进程距离第一个tss描述符地址的偏移，单位是8个字节，即选择描述符大小,_LDT是偏移的大小，单位是1，这里是8*/set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));

设置完后的结构
在这里插入图片描述
进程创建的本质就是申请一个新的pcb，里面保存了该进程的相关信息，假设现在轮到该进程执行。系统会根据tss选择子到gdt表中找到tss结构体的地址。然后使用tss结构体的内容恢复执行上下文。然后找到tss中的ldt选择子，把ldt选择子加载到ldtr寄存器，然后根据ldt选择子到gdt表中可以找到对应的ldt描述符。根据cs:ip的值。cs寄存器里存的是代码段的选择子。是0x17。即ldt的第二项，和数据段一样。从ldt第二项中找出基地址和限长。基地址+ip得到线性地址的值。然后再根据页目录和页表就能得到物理值。