窥探 kernel，just for fun --- sys_fork,sys_vfork,sys_clone,kernel_thread

分类： 嵌入式linux kernel篇2012-04-19 22:31 245人阅读 评论(2) 收藏 举报

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用户空间进程创建接口：fork，vfork，clone函数，这里只做简单说明。

fork:使用该系统调用时，子进程复制父进程的全部资源。由于要复制父进程进程描述符给子进程(进程描述的结构很大！！)，这一过程开销是很大的。linux采用了”写时复制技术”(copy on write,COW)，使子进程先共享父进程的物理页，只有子进程进行写操作时，再复制对应的物理页，避免了无用的复制开销，提高了系统的性能。

实现代码（x86）：arch/x86/kernel/process.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. int sys_fork(struct pt_regs *regs)  
2. {  
3.      return do_fork(SIGCHLD, regs->sp, regs,0, NULL, NULL);  
4. }  

实现代码（arm）：arch/arm/kernel/sys_arm.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* Fork a newtask - this creates a new program thread. 
2.  * This is called indirectly via a smallwrapper 
3.  */  
4. asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs *regs)  
5. {  
6. #ifdefCONFIG_MMU  
7.      return do_fork(SIGCHLD, regs->ARM_sp,regs, 0, NULL, NULL);  
8. #else  
9.      /* can not support in nommu mode */  
10.      return(-EINVAL);  
11. #endif  
12. }  

 

vfork：该系统调用创建的子进程，完全运行在父进程地址空间之上。子进程对地址空间任何数据的修改同样为父进程所见。vfork执行后父进程堵塞，知道子进程运行结束。

实现代码（x86）：arch/x86/kernel/process.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. intsys_vfork(struct pt_regs *regs)  
2. {  
3.      return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM |SIGCHLD, regs->sp, regs, 0,NULL, NULL);  
4. }  

实现代码（arm）：arch/arm/kernel/sys_arm.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. asmlinkage intsys_vfork(struct pt_regs *regs)  
2. {  
3.      return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM |SIGCHLD, regs->ARM_sp, regs, 0, NULL, NULL);  
4. }  

clone：该调用是linux系统所特有的，其NPTL的实现依赖此函数。与fork，vfork相比clone对进程创建有更好的控制能力，能控制子进程和父进程共享何种资源。

实现代码（x86）：arch/x86/kernel/process.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. long sys_clone(unsignedlong clone_flags, unsigned long newsp,  
2.       void __user *parent_tid, void __user *child_tid, struct pt_regs *regs)  
3. {  
4.      if (!newsp)  
5.          newsp = regs->sp;  
6.      return do_fork(clone_flags, newsp, regs, 0,parent_tid, child_tid);  
7. }  

实现代码（arm）：arch/arm/kernel/sys_arm.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* Clone a task- this clones the calling program thread. 
2.  * This is called indirectly via a smallwrapper 
3.  */  
4. asmlinkage intsys_clone(unsigned long clone_flags, unsigned long newsp,  
5.                int __user *parent_tidptr, int tls_val,int__user *child_tidptr, struct pt_regs *regs)  
6. {  
7.      if (!newsp)  
8.          newsp = regs->ARM_sp;  
9.      return do_fork(clone_flags, newsp, regs, 0,parent_tidptr, child_tidptr);  
10. }  

上面进程的创建最终依赖于：do_fork，只是向其传递了不同的参数。

[cpp] view plaincopyprint?

1. longdo_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)  

参数clone_flags非常重要，fork把其设置为SIGCHLD,vfork把其设置为CLONE_VFORK|CLONE_VM|SIGCHLD,clone由用户调用时传递。总的来说，do_fork由clone_flags决定。其值可以自由组合决定。include/linux/sched.h中宏定义：

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* 
2.  *cloning flags: 
3.  */  
4. #define CSIGNAL             0x000000ff    /*signal mask to be sent at exit */  
5. #define CLONE_VM            0x00000100    /* set if VM shared between processes */  
6. #define CLONE_FS            0x00000200    /* set if fs info shared between processes*/  
7. #define CLONE_FILES         0x00000400    /* set if open files shared betweenprocesses */  
8. #define CLONE_SIGHAND       0x00000800    /* set if signal handlers and blockedsignals shared */  
9. #define CLONE_PTRACE        0x00002000    /* set if we want to let tracing continue onthe child too */  
10. #define CLONE_VFORK         0x00004000    /* set if the parent wants the child to wakeit up on mm_release */  
11. #define CLONE_PARENT        0x00008000    /* set if we want to have the same parent asthe cloner */  
12. #define CLONE_THREAD        0x00010000    /* Same thread group? */  
13. #define CLONE_NEWNS         0x00020000    /* New namespace group? */  
14. #define CLONE_SYSVSEM       0x00040000    /* share system V SEM_UNDO semantics */  
15. #define CLONE_SETTLS        0x00080000    /* create a new TLS for the child */  
16. #define CLONE_PARENT_SETTID 0x00100000    /*set the TID in the parent */  
17. #define CLONE_CHILD_CLEARTID     0x00200000    /*clear the TID in the child */  
18. #define CLONE_DETACHED      0x00400000    /* Unused,ignored */  
19. #define CLONE_UNTRACED      0x00800000    /* set ifthe tracing process can't force CLONE_PTRACE on this clone */  
20. #define CLONE_CHILD_SETTID  0x01000000    /*set the TID in the child */  
21. #define CLONE_STOPPED       0x02000000    /* Start instopped state */  
22. #define CLONE_NEWUTS        0x04000000    /* Newutsname group? */  
23. #define CLONE_NEWIPC        0x08000000    /* Newipcs */  
24. #defineCLONE_NEWUSER       0x10000000    /* New user namespace */  
25. #define CLONE_NEWPID        0x20000000    /* New pidnamespace */  
26. #define CLONE_NEWNET        0x40000000    /* Newnetwork namespace */  
27. #define CLONE_IO            0x80000000    /* Clone io context */  

上面的宏定义都占用了独立的bit，所以能或|组合使用。其低八位没有使用，是为了能和信号量组合使用。

内核线程创建接口：

内核线程是一种特殊的进程，它只能运行在内核态，不能访问用户空间的内容。内核线程除了各自的栈和硬件上下文外，共享所用资源。内核利用内核线程来完成一些后台工作如kswapd，ksoftirqd。内核线程有kernel_thread创建。

[cpp] view plaincopyprint?

1. 在linux2.6.xxx/arch/x86/include/asm/processor.h  
2. /* 
3.  * create a kernel thread without removing itfrom tasklists 
4.  */  
5. extern intkernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);  

在linux2.6.xxx/arch/arm/include/asm/processor.h

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* 
2.  * Create a new kernel thread 
3.  */  
4. extern intkernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);  

参数说明：

fn：新创建的内核线程要执行的函数。

arg：fn的参数。

flags：和do_fork中的clone_flags作用相似。

 

 

kernel_thread函数分析：

在linux2.6.xxx/arch/x86/kernel/process.c

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* 
2.  * Create a kernel thread 
3.  */  
4. intkernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)  
5. {  
6.      struct pt_regs regs;//保存进程的硬件上下文  
7.    
8.      memset(®s, 0, sizeof(regs));  
9.      regs.si = (unsigned long) fn;  
10.      regs.di = (unsigned long) arg;  
11.    
12. #ifdefCONFIG_X86_32  
13.      regs.ds = __USER_DS;  
14.      regs.es = __USER_DS;  
15.      regs.fs = __KERNEL_PERCPU;  
16.      regs.gs = __KERNEL_STACK_CANARY;  
17. #else  
18.      regs.ss = __KERNEL_DS;  
19. #endif  
20.    
21.      regs.orig_ax = -1;  
22.      regs.ip = (unsigned long)kernel_thread_helper;  
23.      regs.cs = __KERNEL_CS | get_kernel_rpl();  
24.      regs.flags = X86_EFLAGS_IF | 0x2;  
25.    
26.      /* Ok, create the new process.. */  
27.      return do_fork(flags | CLONE_VM |CLONE_UNTRACED, 0, ®s, 0, NULL, NULL);  
28. }  

分析：

从这段代码可知，内核线程的创建最终还是调用了do_fork。

 

arm架构的kernel_thread实现：

[cpp] view plaincopyprint?

1. /* 
2.  * Create a kernel thread. 
3.  */  
4. pid_tkernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)  
5. {  
6.      struct pt_regs regs;  
7.    
8.      memset(®s, 0, sizeof(regs));  
9.    
10.      regs.ARM_r4 = (unsigned long)arg;  
11.      regs.ARM_r5 = (unsigned long)fn;  
12.      regs.ARM_r6 = (unsignedlong)kernel_thread_exit;  
13.      regs.ARM_r7 = SVC_MODE | PSR_ENDSTATE |PSR_ISETSTATE;  
14.      regs.ARM_pc = (unsignedlong)kernel_thread_helper;  
15.      regs.ARM_cpsr = regs.ARM_r7 | PSR_I_BIT;  
16.    
17.      return do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED,0, ®s, 0, NULL, NULL);  
18. }  
19.    
20. /* 
21.  * Shuffle the argument into the correctregister before calling the 
22.  * thread function.  r4 is the thread argument, r5 is the pointerto 
23.  * the thread function, and r6 points to theexit function. 
24.  */  
25. extern voidkernel_thread_helper(void);  
26. asm( ".pushsection .text\n"  
27. "    .align\n"  
28. "    .type    kernel_thread_helper,#function\n"  
29. "kernel_thread_helper:\n"  
30. #ifdefCONFIG_TRACE_IRQFLAGS  
31. "    bl   trace_hardirqs_on\n"  
32. #endif  
33. "    msr  cpsr_c,r7\n"  
34. "    mov  r0,r4\n"  
35. "    mov  lr,r6\n"  
36. "    mov  pc,r5\n"  
37. "    .size    kernel_thread_helper,. - kernel_thread_helper\n"  
38. "    .popsection");