结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程

2021-11-30 14:37:49

一、实验要求

结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核一般执行过程

以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
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

二、fork系统调用

fork系统调用用于创建一个新进程，称为子进程，它与进程（称为系统调用fork的进程）同时运行，此进程称为父进程。创建新的子进程后，两个进程将执行fork（）系统调用之后的下一条指令。子进程使用相同的pc（程序计数器），相同的CPU寄存器，在父进程中使用的相同打开文件。它不需要参数并返回一个整数值。下面是fork（）返回的不同值。一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。由fork创建的新进程被称为子进程（child process）。fork函数被调用一次但返回两次。两次返回的唯一区别是子进程中返回0值而父进程中返回子进程ID。因此，可以通过返回值来判定该进程是父进程还是子进程

子进程是父进程的副本，它将获得父进程数据空间、堆、栈等资源的副本。子进程持有的是上述存储空间的“副本”，这意味着父子进程间不共享这些存储空间。UNIX将复制父进程的地址空间内容给子进程，因此，子进程有了独立的地址空间。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。

fork内核处理过程：

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;
}


三、execve系统调用

execve() 系统调用的作用是运行另外一个指定的程序。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() 系统调用通常与 fork() 系统调用配合使用。从一个进程中启动另一个程序时，通常是先 fork() 一个子进程，然后在子进程中使用 execve() 变身为运行指定程序的进程。例如，当用户在 Shell 下输入一条命令启动指定程序时，Shell 就是先 fork() 了自身进程，然后在子进程中使用 execve() 来运行指定的程序。

execve系统调用的执行过程：

1.陷入内核；

2.加载新的可执行文件并进行可执行性检查；

3.将新的可执行文件映射到当前运行进程的进程空间中，并覆盖原来的进程数据；

4.将EIP的值设置为新的可执行程序的入口地址。如果可执行程序是静态链接的程序，或不需要其他的动态链接库，则新的入口地址就是新的可执行文件的main函数地址；如果可执行程序还需要其他的动态链接库，则入口地址是加载器ld的入口地址；

5.返回用户态，程序从新的EIP出开始继续往下执行。至此，老进程的上下文已经被新的进程完全替代了，但是进程的PID还是原来的。从这个角度来看，新的运行进程中已经找不到原来的对execve调用的代码了，所以execve函数的一个特别之处是他从来不会成功返回，而总是实现了一次完全的变身。

sys_execve的核心是调用do_execve函数，传给do_execve的第一个参数是已经拷贝到内核空间的路径名filename，第二个和第三个参数仍然是系统调用execve的第二个参数argv和第三个参数envp，它们代表的传给可执行文件的参数和环境变量仍然保留在用户空间中。

execve系统调用的过程:

execve系统调用陷入内核，并传入命令行参数和shell上下文环境
execve陷入内核的第一个函数：do_execve，该函数封装命令行参数和shell上下文

SYSCALL_DEFINE3(execve,
        const char __user *, filename,
        const char __user *const __user *, argv,
        const char __user *const __user *, envp)
{
    return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}

四、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

当用户态的进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数。在X86体系中，可以通过两种不同的方式进入系统调用：执行int $0x80汇编命令和执行sysenter汇编命令。后者是Intel在PentiumII中引入的指令，内核从2.6版本开始支持这条命令。本文将集中讨论以int $0x80方式进入系统调用的过程。通过int $0x80方式调用系统调用实际上是用户进程产生一个中断向量号为0x80的软中断。当用户态进程发出int $0x80指令时，CPU将从用户态切换到内核态并开始执行system_call()。这个函数是通过汇编命令来实现的，它是0x80号软中断对应的中断处理程序。对于所有系统调用来说，它们都必须先进入system_call()，也就是所谓的系统调用处理程序。再通过系统调用号跳转到具体的系统调用服务例程处。

在该函数执行之前，CPU控制单元已经将eflags、cs、eip、ss和esp寄存器的值自动保存到该进程对应的内核栈中。随之，在system_call内部首先将存储在eax寄存器中的系统调用号压入栈中。接着执行SAVE_ALL宏。该宏在栈中保存接下来的系统调用可能要用到的所有CPU寄存器。

通过GET_THREAD_INFO宏获得当前进程的thread_inof结构的地址；再检测当前进程是否被其他进程所跟踪，也就是thread_inof结构中flag字段的_TIF_SYSCALL_TRACE或_TIF_SYSCALL_AUDIT被置1。如果发生被跟踪的情况则转向相应的处理命令处。

如果系统调用好合法，则跳入相应系统调用号所对应的服务例程当中，也就是在sys_call_table表中找到了相应的函数入口点。由于sys_call_table表的表项占4字节，因此获得服务例程指针的具体方法是将由eax保存的系统调用号乘以4再与sys_call_table表的基址相加。当系统调用服务例程结束时，从eax寄存器中获得当前进程的的返回值，并把这个返回值存放在曾保存用户态eax寄存器值的那个栈单元的位置上。这样，用户态进程就可以在eax寄存器中找到系统调用的返回码。

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：

发生中断
SAVE_ALL //保存现场，这里是已经进入内核中断处里过程
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
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)
restore_all //恢复现场
继续运行用户态进程Y

进程间的特殊情况

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；
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；
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；
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；0-3G内核态和用户态都可以访问，3G以上只能内核态访问。内核是所有进程共享的。内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。

结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程

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一、实验要求

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