理解进程的新建和执行过程
- 2020 年 3 月 12 日
- 笔记
本文以linux0.11版本为基础，分析进程的内存布局，现代版本已经发生比较大的变化，都是很多原理都是类似的。 系统维护了一个全局的数据结构叫GDT（ Global Descriptor Table），他保存了所有进程的代码段数据段的一些信息。系统有专门的寄存器保存了GDT的地址，叫GDTR。GTDR的格式如下。
有专门的指令把这个地址加载到GDTR中。叫LGDT。每个进程可以定义一个LDT，用于存储代码段和数据段信息。GDT布局如下。
GDT每个项（GDT描述符）对应的结构体是
我们回顾task_struct结构，看到有两个属性desc_struct，和tss_struct。desc_struct是保存进程代码段和数据段信息的，tss_struct是保存进程执行上下文的。这两个结构体的定义如下。
struct desc_struct { unsigned long a,b; } struct tss_struct { long back_link; /* 16 high bits zero */ long esp0; long ss0; /* 16 high bits zero */ long esp1; long ss1; /* 16 high bits zero */ long esp2; long ss2; /* 16 high bits zero */ long cr3; long eip; long eflags; long eax,ecx,edx,ebx; long esp; long ebp; long esi; long edi; long es; /* 16 high bits zero */ long cs; /* 16 high bits zero */ long ss; /* 16 high bits zero */ long ds; /* 16 high bits zero */ long fs; /* 16 high bits zero */ long gs; /* 16 high bits zero */ long ldt; /* 16 high bits zero */ long trace_bitmap; /* bits: trace 0, bitmap 16-31 */ struct i387_struct i387; };
我们从fork函数开始，看看这些数据结构的设置和关系。我们先来看一下一些宏定义。他是根据进程号（进程id）计算出在GDT中的索引。可参考上图。
/* * Entry into gdt where to find first TSS. 0-nul, 1-cs, 2-ds, 3-syscall * 4-TSS0, 5-LDT0, 6-TSS1 etc ... */ #define FIRST_TSS_ENTRY 4 #define FIRST_LDT_ENTRY (FIRST_TSS_ENTRY+1) // 第一个tss选择子的偏移是4<<3，4乘以8，等于32，即从GDT的偏移为32开始算，第一个进程的n是0，tss是32 #define _TSS(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_TSS_ENTRY<<3)) // 第一个ldt选择子的偏移是5<<3，5乘以8，等于40，即从GDT的偏移为40开始算，第一个进程的n是0，ldt是40 #define _LDT(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_LDT_ENTRY<<3))
下面代码来自fork。
// nr是进程id，计算进程的ldt结构在gdt中的索引，执行该进程的时候，从GDT的第tss->ldt项中取得进程的信息。p即task_struct p->tss.ldt = _LDT(nr); // 设置进程的线性地址的首地址，每个进程占64MB，0.11的进程线性地址是每个进程64M，不是4GB new_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000; p->start_code = new_code_base; // 设置线性地址到ldt的描述符中 set_base(p->ldt[1],new_code_base); set_base(p->ldt[2],new_data_base); // 把父进程的页目录项和页表复制到子进程,old_data_base,new_data_base是线性地址,父子进程共享物理页面，即copy on write copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit); /* 挂载tss和ldt地址到gdt，nr << 1即乘以2，这里算出的是第nr个进程距离第一个tss描述符地址的偏移， 单位是8个字节，即选择描述符大小,_LDT是偏移的大小，单位是1，这里是8 */ set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss)); set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));
fork执行完之后，新新建的相关数据结构已经建立好了，并且也和系统的管理数据产生了关联。有自己独立的页表，和父进程共享物理地址。那么当这个进程被调度的时候，他会发生什么。 执行进程的时候，根据进程号，算出tss在gdt的索引，然后把索引里指向的tss里的上下文也加载到对应的寄存器，tss信息中的ldt索引首先从gdt找到进程ldt结构体数据的首地址，即desc_struct结构体数组，然后根据当前段的属性，比如代码段，则从cs中取得选择子，系统从ldt表中取得进程线性空间的首地址、限长、权限等信息。用线性地址的首地址加上ip中的偏移，得到线性地址，然后再通过页目录和页表得到物理地址，物理地址还没有分配则进行缺页异常等处理。
