关于linux系统如何实现fork的研究(一)
2015-01-30 21:57
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关于linux系统如何实现fork的研究(一)
fork函数是用于在linux系统中创建进程所使用，而最近看了看一个fork()调用是怎么从应用到glibc，最后到内核中实现的，这片文章就聊聊最近对这方面研究的收获吧。我们主要聊聊从glibc库进入内核，再从内核出来的情景，而从应用到glibc这部分本片文章就不详细说明了。为了方便期间，我们的硬件平台为arm，linux内核为3.18.3，glibc库版本为2.20，可从http://ftp.gnu.org/gnu/glibc/下载源码。
我们设定硬件平台为arm，glibc库版本为2.20，因为不同的CPU体系结构中，glibc库通过系统调用进入kernel库的方法是不一样的。当glibc准备进入kernel时，流程如下
INTERNAL_SYSCALL_RAW实现的结果就是将args[0]存到了r0...args[4]存到了r4中，并将name(120)绑定到r7寄存器。然后通过swi 0x0指令进行了软中断(其实就是将PC寄存器设置为异常向量表的0x0位置)，陷入内核。此时linux已经处于内核态(CPU处于管理模式)，而swi后面的0x0是用来做什么的呢，它是一个24位的立即数，用于指定执行异常向量表中的函数。好的，这时候通过软中断进入到linux内核中，具体看此时内核是怎么操作的吧。
好的，终于跳转到了系统调用表，现在我们看看系统调用表是怎么样的一个形式
CALL为一个宏，而我们使用的那一行CALL(sys_clone)配合ldrcc pc,[tbl,scno,lsl #2]使用的结果就是把sys_clone的地址放入pc寄存器。具体我们仔细分析一下，首先先看看CALL宏展开，然后把CALL代入ldrcc，结果就很清晰了
清楚的看出来，ldrcc最后是将sys_clone的函数地址存入了pc寄存器，而sys_clone函数内核是怎么定义的呢，如下
可以看出系统调用是使用SYSCALL_DEFINEx进行定义的，以我们的例子，实际上最后clone函数被定义为
终于看到最后系统会调用do_fork函数进行操作，接下来我们看看do_fork函数
在do_fork函数中，首先会根据clone_flags判断是否对父进程进行了跟踪（调试使用），如果进行了函数跟踪(还需要判断是否对子进程进行跟踪)，之后调用copy_process(do_fork的核心函数，之后的文章会对它进行分析)，在copy_process中会对子进程的许多结构体和参数进行初始化(同时在fork正常情况中为什么会返回两次也是在此函数中实现的)，do_fork最后就判断是否是通过vfork创建，如果是vfork创建，则会使父进程阻塞直到子进程结束释放所占内存空间后才继续执行，最后do_fork子进程pid。
到这里，整个系统调用的入口就分析完了，其实整个流程也不算很复杂：应用层通过swi软中断进入内核---->通过系统调用表选定目标系统调用--->执行系统调用--->返回。之后的文章我会详细分析copy_process函数，此函数中涉及相当多的知识，作为学习linux内核的入口也是比较合适的。
引言
fork函数是用于在linux系统中创建进程所使用，而最近看了看一个fork()调用是怎么从应用到glibc，最后到内核中实现的，这片文章就聊聊最近对这方面研究的收获吧。我们主要聊聊从glibc库进入内核，再从内核出来的情景，而从应用到glibc这部分本片文章就不详细说明了。为了方便期间，我们的硬件平台为arm，linux内核为3.18.3，glibc库版本为2.20，可从http://ftp.gnu.org/gnu/glibc/下载源码。
Glibc到kernel
我们设定硬件平台为arm，glibc库版本为2.20，因为不同的CPU体系结构中，glibc库通过系统调用进入kernel库的方法是不一样的。当glibc准备进入kernel时，流程如下1 /* glibc最后会调用到一个INLINE_SYSCALL宏，参数如下 */
2 INLINE_SYSCALL (clone, 5, CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid)；
3
4 /* INLINE_SYSCALL的宏定义如下,可以看出在INLINE_SYSCALL宏中又使用到了INTERNAL_SYSCALL宏，而INTERNAL_SYSCALL宏最终会调用INTERNAL_SYSCALL_RAW */
5 #define INLINE_SYSCALL(name, nr, args...) \
6 ({ unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args); \
7 if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) \
8 { \
9 __set_errno (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, )); \
10 _sys_result = (unsigned int) -1; \
11 } \
12 (int) _sys_result; })
13
14 /* 为了方便大家理解，将此宏写为伪代码形式 */
15 int INLINE_SYSCALL (name, nr, args...)
16 {
17 unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args);
18
19 if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) {
20 __set_error (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, ));
21 _sys_result = (unsigned int) -1;
22 }
23 return (int)_sys_result;
24 }
25
26 /* 这里我们不需要看INTERNAL_SYSCALL宏，只需要看其最终调用的INTERNAL_SYSCALL_RAW宏，需要注意的是，INTERNAL_SYSCALL调用INTERNAL_SYSCALL_RAW时，通过SYS_ify(name)宏将name转为了系统调用号
27 * name: 120（通过SYS_ify(name)宏已经将clone转为了系统调用号120）
28 * err: NULL
29 * nr: 5
30 * args[0]: CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD
31 * args[1]: NULL
32 * args[2]: NULL
33 * args[3]: NULL
34 * args[4]: &THREAD_SELF->tid
35 */
36 # define INTERNAL_SYSCALL_RAW(name, err, nr, args...) \
37 ({ \
38 register int _a1 asm ("r0"), _nr asm ("r7"); \
39 LOAD_ARGS_##nr (args) \
40 _nr = name; \
41 asm volatile ("swi 0x0 @ syscall " #name \
42 : "=r" (_a1) \
43 : "r" (_nr) ASM_ARGS_##nr \
44 : "memory"); \
45 _a1; })
46 #endifINTERNAL_SYSCALL_RAW实现的结果就是将args[0]存到了r0...args[4]存到了r4中，并将name(120)绑定到r7寄存器。然后通过swi 0x0指令进行了软中断(其实就是将PC寄存器设置为异常向量表的0x0位置)，陷入内核。此时linux已经处于内核态(CPU处于管理模式)，而swi后面的0x0是用来做什么的呢，它是一个24位的立即数，用于指定执行异常向量表中的函数。好的，这时候通过软中断进入到linux内核中，具体看此时内核是怎么操作的吧。
1 /* 源文件地址: 内核目录/arch/arm/kernel/entry-common.S */
2
3 ENTRY(vector_swi)
4 /*
5 * 保存现场
6 */
7 #ifdef CONFIG_CPU_V7M
8 v7m_exception_entry
9 #else
10 sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
11 stmia sp, {r0 - r12} @ 将r0~r12保存到栈中
12 ARM( add r8, sp, #S_PC )
13 ARM( stmdb r8, {sp, lr}^ ) @ Calling sp, lr
14 THUMB( mov r8, sp )
15 THUMB( store_user_sp_lr r8, r10, S_SP ) @ calling sp, lr
16 mrs r8, spsr @ called from non-FIQ mode, so ok.
17 str lr, [sp, #S_PC] @ Save calling PC
18 str r8, [sp, #S_PSR] @ Save CPSR
19 str r0, [sp, #S_OLD_R0] @ Save OLD_R0
20 #endif
21 zero_fp
22 alignment_trap r10, ip, __cr_alignment
23 enable_irq
24 ct_user_exit
25 get_thread_info tsk
26
27 /*
28 * 以下代码根据不同arm体系结构获取系统调用号
29 */
30
31 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
32
33 /*
34 * 如果内核配置了OABI兼容选项，会先判断是否为THUMB，以下为THUMB情况（我们分析的时候可以忽略这段，一般情况是不走这一段的）
35 */
36 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB
37 tst r8, #PSR_T_BIT
38 movne r10, #0 @ no thumb OABI emulation
39 USER( ldreq r10, [lr, #-4] ) @ get SWI instruction
40 #else
41 USER( ldr r10, [lr, #-4] ) @ get SWI instruction
42 #endif
43 ARM_BE8(rev r10, r10) @ little endian instruction
44
45 #elif defined(CONFIG_AEABI)
46
47 /*
48 * 我们主要看这里，EABI将系统调用号保存在r7中
49 */
50 #elif defined(CONFIG_ARM_THUMB)
51 /* 先判断是否为THUMB模式 */
52 tst r8, #PSR_T_BIT
53 addne scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE
54 USER( ldreq scno, [lr, #-4] )
55
56 #else
57 /* EABI模式 */
58 USER( ldr scno, [lr, #-4] ) @ 获取系统调用号
59 #endif
60
61 adr tbl, sys_call_table @ tbl为r8，这里是将sys_call_table的地址(相对于此指令的偏移量)存入r8
62
63 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
64 /*
65 * 在EABI体系中，如果swi跟着的立即数为0，这段代码不做处理，而如果是old abi体系，则根据系统调用号调用old abi体系的系统调用表(sys_oabi_call_table)
66 * 其实说白了，在EABI体系中，系统调用时使用swi 0x0进行软中断，r7寄存器保存系统调用号
67 * 而old abi体系中，是通过swi (系统调用号|magic)进行调用的
68 */
69 bics r10, r10, #0xff000000
70 eorne scno, r10, #__NR_OABI_SYSCALL_BASE
71 ldrne tbl, =sys_oabi_call_table
72 #elif !defined(CONFIG_AEABI)
73 bic scno, scno, #0xff000000
74 eor scno, scno, #__NR_SYSCALL_BASE
75 #endif
76
77 local_restart:
78 ldr r10, [tsk, #TI_FLAGS] @ 检查系统调用跟踪
79 stmdb {r4, r5} @ 将第5和第6个参数压入栈
80
81 tst r10, #_TIF_SYSCALL_WORK @ 判断是否在跟踪系统调用
82 bne __sys_trace
83
84 cmp scno, #NR_syscalls @ 检测系统调用号是否在范围内，NR_syscalls保存系统调用总数
85 adr lr, BSYM(ret_fast_syscall) @ 将返回地址保存到lr寄存器中，lr寄存器是用于函数返回的。
86 ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ 调用相应系统调用例程，tbl(r8)保存着系统调用表(sys_call_table)地址，scno(r7)保存着系统调用号120，这里就转到相应的处理例程上了。
87
88 add r1, sp, #S_OFF
89 2: cmp scno, #(__ARM_NR_BASE - __NR_SYSCALL_BASE)
90 eor r0, scno, #__NR_SYSCALL_BASE @ put OS number back
91 bcs arm_syscall
92 mov why, #0 @ no longer a real syscall
93 b sys_ni_syscall @ not private func
94
95 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT) || !defined(CONFIG_AEABI)
96 /*
97 * We failed to handle a fault trying to access the page
98 * containing the swi instruction, but we're not really in a
99 * position to return -EFAULT. Instead, return back to the
100 * instruction and re-enter the user fault handling path trying
101 * to page it in. This will likely result in sending SEGV to the
102 * current task.
103 */
104 9001:
105 sub lr, lr, #4
106 str lr, [sp, #S_PC]
107 b ret_fast_syscall
108 #endif
109 ENDPROC(vector_swi) @ 返回好的，终于跳转到了系统调用表，现在我们看看系统调用表是怎么样的一个形式
1 /* 文件地址: linux内核目录/arch/arm/kernel/calls.S */ 2 3 /* 0 */ CALL(sys_restart_syscall) 4 CALL(sys_exit) 5 CALL(sys_fork) 6 CALL(sys_read) 7 CALL(sys_write) 8 /* 5 */ CALL(sys_open) 9 CALL(sys_close) 10 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_waitpid */ 11 CALL(sys_creat) 12 CALL(sys_link) 13 /* 10 */ CALL(sys_unlink) 14 CALL(sys_execve) 15 CALL(sys_chdir) 16 CALL(OBSOLETE(sys_time)) /* used by libc4 */ 17 CALL(sys_mknod) 18 /* 15 */ CALL(sys_chmod) 19 CALL(sys_lchown16) 20 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_break */ 21 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_stat */ 22 CALL(sys_lseek) 23 /* 20 */ CALL(sys_getpid) 24 CALL(sys_mount) 25 CALL(OBSOLETE(sys_oldumount)) /* used by libc4 */ 26 CALL(sys_setuid16) 27 CALL(sys_getuid16) 28 /* 25 */ CALL(OBSOLETE(sys_stime)) 29 CALL(sys_ptrace) 30 CALL(OBSOLETE(sys_alarm)) /* used by libc4 */ 31 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_fstat */ 32 CALL(sys_pause) 33 34 ...................... 35 ...................... 36 37 /* 120 */ CALL(sys_clone) /* 120在此，之前传进来的系统调用号120进入内核后会到这 */ 38 CALL(sys_setdomainname) 39 CALL(sys_newuname) 40 CALL(sys_ni_syscall) /* modify_ldt */ 41 CALL(sys_adjtimex) 42 /* 125 */ CALL(sys_mprotect) 43 CALL(sys_sigprocmask) 44 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_create_module */ 45 CALL(sys_init_module) 46 CALL(sys_delete_module) 47 48 ...................... 49 ...................... 50 51 /* 375 */ CALL(sys_setns) 52 CALL(sys_process_vm_readv) 53 CALL(sys_process_vm_writev) 54 CALL(sys_kcmp) 55 CALL(sys_finit_module) 56 /* 380 */ CALL(sys_sched_setattr) 57 CALL(sys_sched_getattr) 58 CALL(sys_renameat2) 59 CALL(sys_seccomp) 60 CALL(sys_getrandom) 61 /* 385 */ CALL(sys_memfd_create) 62 CALL(sys_bpf) 63 #ifndef syscalls_counted 64 .equ syscalls_padding, ((NR_syscalls + 3) & ~3) - NR_syscalls 65 #define syscalls_counted 66 #endif 67 .rept syscalls_padding 68 CALL(sys_ni_syscall) 69 .endr
CALL为一个宏，而我们使用的那一行CALL(sys_clone)配合ldrcc pc,[tbl,scno,lsl #2]使用的结果就是把sys_clone的地址放入pc寄存器。具体我们仔细分析一下，首先先看看CALL宏展开，然后把CALL代入ldrcc，结果就很清晰了
1 /* CALL(x)宏展开 */ 2 #define CALL(x) .equ NR_syscalls,NR_syscalls+1 3 #include "calls.S" 4 5 .ifne NR_syscalls - __NR_syscalls 6 .error "__NR_syscalls is not equal to the size of the syscall table" 7 .endif 8 9 /* 主要是后面这一段， 10 * 上面一段主要用于统计系统调用数量，并将数量保存到NR_syscalls中，具体实现说明可以参考http://www.tuicool.com/articles/QFj6zq 11 */ 12 13 #undef CALL 14 /* 其实就是生成一个数为x，相当于.long sys_clone，因为sys_clone是函数名，所以.long生成的是sys_clone函数名对应的地址 */ 15 #define CALL(x) .long x 16 17 #ifdef CONFIG_FUNCTION_TRACER 18 19 20 /* 配合ldrcc一起看，原来ldrcc是这样 */ 21 ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] 22 23 /* 把CALL(x)代入ldrcc，最后是这样 */ 24 ldrcc pc, sys_clone(函数地址)
清楚的看出来，ldrcc最后是将sys_clone的函数地址存入了pc寄存器，而sys_clone函数内核是怎么定义的呢，如下
1 /* 文件地址: linux内核目录/kernel/Fork.c */
2
3 /* 以下代码根据不同的内核配置定义了不同的clone函数
4 * 其最终都调用的do_fork函数，我们先看看SYSCALL_DEFINE是怎么实现的吧，实现在此代码片段后面
5 */
6 #ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
7 #ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
8 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
9 int __user *, parent_tidptr,
10 int, tls_val,
11 int __user *, child_tidptr)
12 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
13 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
14 int __user *, parent_tidptr,
15 int __user *, child_tidptr,
16 int, tls_val)
17 #elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
18 SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
19 int, stack_size,
20 int __user *, parent_tidptr,
21 int __user *, child_tidptr,
22 int, tls_val)
23 #else
24 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
25 int __user *, parent_tidptr,
26 int __user *, child_tidptr,
27 int, tls_val)
28 #endif
29 {
30 return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
31 }
32
33
34 /************************************************
35 * 我是代码分界线
36 ************************************************/
37
38 /* 文件地址: linux内核目录/include/linux.h */
39
40 #define SYSCALL_DEFINE0(sname) \
41 SYSCALL_METADATA(_##sname, 0); \
42 asmlinkage long sys_##sname(void)
43
44 #define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)
45 #define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)
46 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
47 #define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)
48 #define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)
49 #define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)
50
51 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \
52 SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__) \
53 __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
54
55 #define __PROTECT(...) asmlinkage_protect(__VA_ARGS__)
56 #define __SYSCALL_DEFINEx可以看出系统调用是使用SYSCALL_DEFINEx进行定义的，以我们的例子，实际上最后clone函数被定义为
1 /* 展开前 */
2
3 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
4 int __user *, parent_tidptr,
5 int __user *, child_tidptr,
6 int, tls_val)
7 #endif
8 {
9 /* 应用层默认fork参数(CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid) */
10 return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
11 }
12
13 /* 展开后 */
14
15 asmlinkage long sys_clone (unsigned long clone_flags, unsigned long newsp, int __user * parent_tidptr, int __user * child_tidptr, int tls_val)
16 {
17 return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
18 }终于看到最后系统会调用do_fork函数进行操作，接下来我们看看do_fork函数
1 /* 应用层的fork最后会通过sys_clone系统调用调用到此函数 */
2 /* 应用层默认fork参数(CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid)
3 * clone_flags: CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD
4 * stack_start: NULL
5 * stack_size: NULL
6 * parent_tidptr: NULL
7 * child_tidptr: &THREAD_SELF->tid
8 * pid: NULL
9 */
10 long do_fork(unsigned long clone_flags,
11 unsigned long stack_start,
12 unsigned long stack_size,
13 int __user *parent_tidptr,
14 int __user *child_tidptr)
15 {
16 struct task_struct *p;
17 int trace = 0;
18 long nr;
19
20 /* 判断是否进行跟踪 */
21 if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
22 if (clone_flags & CLONE_VFORK)
23 trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
24 else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)
25 trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
26 else
27 trace = PTRACE_EVENT_FORK;
28
29 if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
30 trace = 0;
31 }
32
33 /* 调用copy_process进行初始化，返回初始化好的struct task_struct结构体，当我们调用fork时返回两次的原因也是在这个函数当中，下回分析 */
34 p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
35 child_tidptr, NULL, trace);
36
37
38 if (!IS_ERR(p)) {
39 /* 创建成功 */
40 struct completion vfork;
41 struct pid *pid;
42
43 trace_sched_process_fork(current, p);
44
45 /* 获取子进程PID */
46 pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
47 /* 返回子进程pid所属的命名空间所看到的局部PID */
48 nr = pid_vnr(pid);
49
50 if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
51 put_user(nr, parent_tidptr);
52
53 if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
54 p->vfork_done = &vfork;
55 init_completion(&vfork);
56 get_task_struct(p);
57 }
58
59 /* 唤醒进程 */
60 wake_up_new_task(p);
61
62 /* 跟踪才会用到 */
63 if (unlikely(trace))
64 ptrace_event_pid(trace, pid);
65
66 /* 如果是vfork调用，则在此等待vfork的进程结束 */
67 if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
68 if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
69 ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
70 }
71
72 put_pid(pid);
73 } else {
74 /* 创建失败 */
75 nr = PTR_ERR(p);
76 }
77 /* 返回新进程PID（新进程在这会返回0） */
78 return nr;
79 }在do_fork函数中，首先会根据clone_flags判断是否对父进程进行了跟踪（调试使用），如果进行了函数跟踪(还需要判断是否对子进程进行跟踪)，之后调用copy_process(do_fork的核心函数，之后的文章会对它进行分析)，在copy_process中会对子进程的许多结构体和参数进行初始化(同时在fork正常情况中为什么会返回两次也是在此函数中实现的)，do_fork最后就判断是否是通过vfork创建，如果是vfork创建，则会使父进程阻塞直到子进程结束释放所占内存空间后才继续执行，最后do_fork子进程pid。
小结
到这里，整个系统调用的入口就分析完了，其实整个流程也不算很复杂：应用层通过swi软中断进入内核---->通过系统调用表选定目标系统调用--->执行系统调用--->返回。之后的文章我会详细分析copy_process函数，此函数中涉及相当多的知识，作为学习linux内核的入口也是比较合适的。
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