实验目的
1.以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
2.分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
3.分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
4.以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程
fork系统调用
fork系统调用用于从已存在进程中创建一个新进程，新进程称为子进程，而原进程称为父进程。fork系统调用与别的系统调用不用之处在于，fork调用一次，返回两次，这两个返回分别带回它们各自的返回值，其中在父进程中的返回值是子进程的进程号，而子进程中的返回值则返回 0。因此，可以通过返回值来判定该进程是父进程还是子进程。
使用fork函数得到的子进程是父进程的一个复制品，它从父进程处继承了整个进程的地址空间，包括进程上下文、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制、控制终端等，而子进程所独有的只有它的进程号、计时器等。因此可以看出，使用fork系统调用的代价是很大的，它复制了父进程中的数据段和堆栈段里的绝大部分内容，使得fork系统调用的执行速度并不很快。
fork的返回值这样设计是有原因的，fork在子进程中返回0，子进程仍可以调用getpid函数得到自己的进程ID，也可以调用getppid函数得到父进程的进程ID。在父进程中使用getpid函数可以得到自己的进程ID，然而要想得到子进程的进程ID，只有将fork的返回值记录下来，别无它法。
fork的另一个特性是所有由父进程打开的文件描述符都被复制到子进程中。父、子进程中相同编号的文件描述符在内核中指向同一个file结构体，也就是说，file结构体的引用计数要增加。
在fork系统调用中，最重要的的就是_do_fork函数：do_fork函数主要完成了调?copy_process()复制?进程、获得pid、调?wake_up_new_task将?进程加入就绪队列等待调度执?等。
do_fork函数实现为：
long do_fork(unsigned long clone_flags,
unsigned long stack_start,
unsigned long stack_size,
int __user *parent_tidptr,
int __user *child_tidptr)
{
struct task_struct *p;
int trace = 0;
long nr;
/*
* Determine whether and which event to report to ptracer. When
* called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly
* requested, no event is reported; otherwise, report if the event
* for the type of forking is enabled.
*/
if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {
if (clone_flags & CLONE_VFORK)
trace = PTRACE_EVENT_VFORK;
else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)
trace = PTRACE_EVENT_CLONE;
else
trace = PTRACE_EVENT_FORK;
if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))
trace = 0;
}
p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
child_tidptr, NULL, trace);
/*
* Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
* might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
*/
if (!IS_ERR(p)) {
struct completion vfork;
struct pid *pid;
trace_sched_process_fork(current, p);
pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
nr = pid_vnr(pid);
if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
put_user(nr, parent_tidptr);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
p->vfork_done = &vfork;
init_completion(&vfork);
get_task_struct(p);
}
wake_up_new_task(p);
/* forking complete and child started to run, tell ptracer */
if (unlikely(trace))
ptrace_event_pid(trace, pid);
if (clone_flags & CLONE_VFORK) {
if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))
ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);
}
put_pid(pid);
} else {
nr = PTR_ERR(p);
}
return nr;
}
其中copy_process() 主要做了如下工作：
a. 调用 dup_task_struct 复制一份task_struct结构体，作为子进程的进程描述符;
b. 初始化与调度有关的数据结构，调用了sched_fork，这里将子进程的state设置为TASK_RUNNING;
c. 复制所有的进程信息，包括fs、信号处理函数、信号、内存空间（包括写时复制）等;
d.调用copy_thread,设置子进程的堆栈信息；
e. 为子进程分配一个pid。
execve系统调用
execve() 系统调用与其他系统调用不同之处在于，它会把新程序加载到当前进程的内存空间内，当前的进程会被丢弃，它的堆、栈和所有的段数据都会被新进程相应的部分代替，然后会从新程序的初始化代码和 main 函数开始运行。同时，进程的 ID 将保持不变。
execve系统调用的调用顺序为
sys_execve() -> do_execve() -> do_execveat_common() -> do_execve_file -> exec_binprm() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary() -> start_thread()
Linux内核的一般执行过程
一般情况：
正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程
（1）正在运行的用户态进程X
（2）发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
（3）SAVE_ALL //保存现场
（4）中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
（5）标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
（6）restore_all //恢复现场
（7）iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
（8）继续运行用户态进程Y
特殊情况：
（1）通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
（2）内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；
（3）创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；
（4）加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；