关于linux系统如何实现fork的研究(一)

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  #endif

    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。0x0是一个24位的立即数,用于软中断执行程序判断执行什么操作。当执行这条指令时,CPU会跳转至中断向量表的软中断指令处,执行该处保存的调用函数,而在函数中会根据swi后面的24位立即数(在我们的例子中是0x0)执行不同操作。在这时候CPU已经处于保护模式,陷入内核中。现在进入到linux内核中后,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         /* 将新进程加入到CPU的运行队列中 */
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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