作者：刘磊
文中参考代码出处：https://github.com/mengning/linuxkernel/
本文主要针对进程创建、可执行文件的加载和进程间切换三大部分进行实验并分析。
实验环境：Ubuntu 16虚拟机、VMware 14
1 进程创建
进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
1.1 描述进程的数据结构
在操作系统中，进程也需要一个数据结构来保存内核对进程状态等信息，此数据结构我们一般将其称作进程控制块（Process Control Block）。PCB在linux内核中定义为task_struct结构体，并在/include/linux/sched.h源文件中实现。
由于源代码较多，在此处只给出部分常用参数的代码及其注释：
1 volatile long state; //表示进程状态 2 void *stack; //进程所属堆栈指针 3 unsigned int rt_priority;//进程优先级 4 int exit_state;//退出时状态 5 pid_t pid;//进程号，作为进程的全局标识符 6 pid_t tgid;//进程组号 7 struct task_struct __rcu *real_parent;//父进程 8 struct list_head children;//子进程 9 struct list_head sibling;//兄弟进程 10 struct task_struct *group_leader;//所属进程组的主进程
1.2 fork函数对应的内核处理过程do_fork
传统的UNIX中用于复制进程的系统调用是fork。但它并不是Liunx为此实现的唯一的调用，实际上Linux实现了3个：
（1）fork是重量级调用，它建立了父进程的一个完整副本，然后为子进程执行。
（2）vfork类似于fork，但并不创建父进程数据的副本。相反，父子进程之间共享数据。
（3）clone产生线程，可以对父子进程之间的共享、复制进行精确控制。
fork、vfork和close系统调用的入口分别是sys_fork、sys_vfork和sys_clone函数。以上函数从寄存器中取出由用户定义的信息，并调用与体系结构无关的do_fork函数进行进程的复制。do_fork函数的原型如下：
1 long do_fork(unsigned long clone_flags, 2 unsigned long stack_start, 3 struct pt_regs *regs, 4 unsigned long stack_size, 5 int __user *parent_tidptr, 6 int __user *child_tidptr)
所有3个fork机制最终都调用了kernel/fork.c中的do_fork，其代码流程图如下（图片出处为《深入Linux内核架构》人民邮电出版社）：
在do_fork中大多数工作是由copy_process函数完成的，其代码流程如下图所示（图片出处为《深入Linux内核架构》人民邮电出版社）：
1.3 使用gdb跟踪分析一个fork系统调用内核处理函数do_fork
1.3.1 添加源代码创建rootfs
在此节我们使用qemu和gdb跟踪分析do_fork的调用过程，qemu及gdb环境的搭建，请参考本此处。
我们首先在test.c文件中加入以下代码用于测试：
1 int Fork(int argc, char *argv[])
2 {
3 int child = fork();
4
5 if(child < 0){
6 printf("fail to create a new process\n");
7 } else {
8 if(child == 0){
9 printf("successfully create a new process, and I am the parent\n");
10 } else {
11 printf("successfully create a new process, and I am the child\n");
12 }
13 }
14 return 0;
15 }
并在main函数中加入以下代码完成登记：
1 MenuConfig("fork","Create a new process",Fork);
对menu进行重新编译，并创建rootfs：
1 # make rootfs 2 # cd ../rootfs 3 # cp ../menu/init ./ 4 # find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
1.3.2 跟踪分析
打开两个终端，在其中一个中输入以下命令，打开qemu终端：
1 # qemu-system-i386 -kernel linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S -append nokaslr
输入后依旧会弹出一个处于stopped状态的qemu终端：
然后在另外一个终端中输入以下命令：
1 # gdb 2 (gdb) file linux-3.18.6/vmlinux 3 (gdb) target remote:1234 4 (gdb) b sys_clone 5 (gdb) b do_fork 6 (gdb) b dup_task_struct 7 (gdb) b copy_process 8 (gdb) b copy_thread
以上命令分别在sys_clone、do_fork、dup_task_struct、copy_process和copy_thread函数调用处加上断点：
根据上述调试方法可以得到如下的结果：
2 可执行文件的加载
“ELF”的全称是：Executable and Linking Format. 大意为可执行，可关联的文件格式，扩展名为elf .因此把这一类型的文件简称为“ELF”。
此节对一个简单的c程序的编译链接执行过程进行分析。
2.1 编译测试代码
首先我们编写一个简单的test.c源代码文件：
1 #include<stdio.h>
2
3 void main(){
4 printf("I‘m the testing program!");
5 }
运行以下命令对源文件进行编译链接生成可执行文件：
1 # gcc -o test test.c
2.2 gdb跟踪内核处理函数do_execve
同样还是利用gdb和qemu工具来跟踪分析，首先给do_execve函数打上断点，进行跟踪可以得到以下结果：
由跟踪结果可知，当调用新的可执行程序时，会先进入内核态调用do_execve处理函数，并使用堆栈对原来的现场进行保护。然后，根据返回的可执行文件的地址，对当前可执行文件进行覆盖。由于返回地址为调用可执行文件的main函数入口，所以可以继续执行该文件。
3 进程执行与切换
3.1 跟踪分析schedule函数
我们先对schedule，pick_next_task，context_switch和__switch_to设置断点，观察程序运行的情况。
由以上跟踪结果可以得知，在进行进程间的切换时，各处理函数的调用顺序如下：pick_next_task -> context_switch -> __switch_to 。由此可以得出，当进程间切换时，首先需要调用pick_next_task函数挑选出下一个将要被执行的程序；然后再进行进程上下文的切换，此环节涉及到“保护现场”及“现场恢复”；在执行完以上两个步骤后，调用__switch_to进行进程间的切换。
3.2 switch_to中的汇编代码
汇编代码及分析如下：
1 asm volatile("pushfl\n\t" //保存当前进程的标志寄存器PSW内容
2 "pushl %%ebp\n\t" //保存堆栈基址寄存器内容
3 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" // 保存栈顶指针
4 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" // 将下一个进程的栈顶指针mov到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换
5
6
7 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" // 保存当前进程的EIP
8 "pushl %[next_ip]\n\t" //将下一个进程的EIP压栈
9 __switch_canary
10 "jmp __switch_to\n"
11
12
13 "1:\t" //next进程开始执行
14 "popl %%ebp\n\t" //恢复堆栈基址
15 "popfl\n" //恢复PSW
16
17 /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中
18 prev_sp是内核堆栈栈顶
19 prev_ip是当前进程的eip */
20 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
21 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]是标号
22 "=a" (last),
23
24
25 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
26 "=S" (esi), "=D" (edi)
27
28 __switch_canary_oparam
29
30 /* input parameters:
31 next_sp下一个进程的内核堆栈的栈顶
32 next_ip下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork*/
33 : [next_sp] "m" (next->thread.sp),
34 [next_ip] "m" (next->thread.ip),
35
36 [prev] "a" (prev),
37 [next] "d" (next)
38
39 __switch_canary_iparam
40
41 : /* reloaded segment registers */
42 "memory");
原文地址：https://www.cnblogs.com/liulei-ustc/p/10588529.html