理解進程的新建和執行過程
- 2020 年 3 月 12 日
- 筆記
本文以linux0.11版本為基礎，分析進程的記憶體布局，現代版本已經發生比較大的變化，都是很多原理都是類似的。 系統維護了一個全局的數據結構叫GDT（ Global Descriptor Table），他保存了所有進程的程式碼段數據段的一些資訊。系統有專門的暫存器保存了GDT的地址，叫GDTR。GTDR的格式如下。
有專門的指令把這個地址載入到GDTR中。叫LGDT。每個進程可以定義一個LDT，用於存儲程式碼段和數據段資訊。GDT布局如下。
GDT每個項（GDT描述符）對應的結構體是
我們回顧task_struct結構，看到有兩個屬性desc_struct，和tss_struct。desc_struct是保存進程程式碼段和數據段資訊的，tss_struct是保存進程執行上下文的。這兩個結構體的定義如下。
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; };
我們從fork函數開始，看看這些數據結構的設置和關係。我們先來看一下一些宏定義。他是根據進程號（進程id）計算出在GDT中的索引。可參考上圖。
/* * 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) // 第一個tss選擇子的偏移是4<<3，4乘以8，等於32，即從GDT的偏移為32開始算，第一個進程的n是0，tss是32 #define _TSS(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_TSS_ENTRY<<3)) // 第一個ldt選擇子的偏移是5<<3，5乘以8，等於40，即從GDT的偏移為40開始算，第一個進程的n是0，ldt是40 #define _LDT(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_LDT_ENTRY<<3))
下面程式碼來自fork。
// nr是進程id，計算進程的ldt結構在gdt中的索引，執行該進程的時候，從GDT的第tss->ldt項中取得進程的資訊。p即task_struct p->tss.ldt = _LDT(nr); // 設置進程的線性地址的首地址，每個進程佔64MB，0.11的進程線性地址是每個進程64M，不是4GB new_data_base = new_code_base = nr * 0x4000000; p->start_code = new_code_base; // 設置線性地址到ldt的描述符中 set_base(p->ldt[1],new_code_base); set_base(p->ldt[2],new_data_base); // 把父進程的頁目錄項和頁表複製到子進程,old_data_base,new_data_base是線性地址,父子進程共享物理頁面，即copy on write copy_page_tables(old_data_base,new_data_base,data_limit); /* 掛載tss和ldt地址到gdt，nr << 1即乘以2，這裡算出的是第nr個進程距離第一個tss描述符地址的偏移， 單位是8個位元組，即選擇描述符大小,_LDT是偏移的大小，單位是1，這裡是8 */ set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss)); set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));
fork執行完之後，新新建的相關數據結構已經建立好了，並且也和系統的管理數據產生了關聯。有自己獨立的頁表，和父進程共享物理地址。那麼當這個進程被調度的時候，他會發生什麼。 執行進程的時候，根據進程號，算出tss在gdt的索引，然後把索引里指向的tss里的上下文也載入到對應的暫存器，tss資訊中的ldt索引首先從gdt找到進程ldt結構體數據的首地址，即desc_struct結構體數組，然後根據當前段的屬性，比如程式碼段，則從cs中取得選擇子，系統從ldt表中取得進程線性空間的首地址、限長、許可權等資訊。用線性地址的首地址加上ip中的偏移，得到線性地址，然後再通過頁目錄和頁表得到物理地址，物理地址還沒有分配則進行缺頁異常等處理。
