一个新进程的内核之旅
一、背景
我们常在Linux平台bash环境下执行一条cmd，如看下当前文件有哪些"ls -l"。这条cmd会fork一个新的进程,然后完成ls可执行程序的加载和执行。对于用户而言，看上去仿佛就应该这样，简单快速。而对于这个新进程，在内核中经历了什么，内核表示自己默默扛下所有。
本文尝试探索内核所做的工作，开始之前提出几个问题：
1 fork新进程的返回值为何是0？
2 fork父进程和新进程如何执行同一份代码？
3 fork新进程何时被加入到调度器队列？
接下来，将开始整个旅行啦！
以下研究基于开源代码linux kernel-5.10/Android kernel-5.10，主要以x86架构为目标。
源码可从以下链接获取：
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/?h=linux-5.10.y
https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/stable-review/
https://android.googlesource.com
二、 第1站：用户态触发
在用户态调用fork，生成一个新进程（子进程）,如图1。成功后，子进程的pid = 0，子进程就可以为所欲为了，当然对于bash而言，主要还是执行cmd，如ls -l。
下图就比较清晰的说明fork前父进程和子感觉像是运行一样的进程，判断pid之后，父子开始分道扬镳，至于为何pid不同，需要从内核层面找到原因。
从用户态的汇编代码可以知道：父、子进程在fork后会判断寄存器eax (x86架构)的返回值，即pid。
图2.fork子进程
三、 第2站：内核fork
从用户空间调用的fork通过中断调用到内核sys_fork，继续调用到kernel_clone，该函数注意看返回的是pid_t，即进程pid。
图3.内核fork调用
截取kernel_clone关键操作，copy_process，wake_up_new_task，那就进入下一站分析。
四、 第3站：copy_process进程信息拷贝操作
这一站就是fork的核心操作了，一步步探索其中的奥秘。从图5中的注释看到，copy_process函数仅做进程所拥有的各种资源复制，复制完成后，新进程并没有启动。
图5.内核copy_process函数
首先开始一系列的flag检查，其中可以关注下这个flag:SIGNAL_UNKILLABLE，在Android中init进程设置该flag，即新进程不可以作为init进程的兄弟进程，只能作为init进程的子进程，你想到了什么呢？
图6.SIGNAL_UNKILLABLE标志
1. 复制task_struct关键信息
copy_process开始复制第一个重要的资源：task_struct。
图7.内核dup_task_struct
这个结构体表示什么？还得从操作系统说起。
每个进程在内核中都有一个进程控制块(PCB)来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。
这个结构体主要是用于内核管理任务，包括进程状态、进程标识符、进程亲属关系、ptrace系统调用、进程高度、进程地址空间、进程返回码判断标志、时间统计、信号处理、内存、文件描述符等。
以下列举几个说明：
-
thread_info: 内核线程信息
-
pid：进程标识符
-
tgid：进程标识符
【注】在Linux系统中，一个线程组（thread group)中的所有线程使用相同的PID，主线程PID存放在tgid成员中。getpid系统调用返回的是当前进程的tgid值而不是pid值。- policy：进程调度策略
-
state: 任务状态
-
。。。
继续回到dup_task_struct，主要工作有：
1 分配task_struct内存
2 分配thread_info内存
3 复制父进程的task_struct信息
4 设置线程堆栈
关于thread_info，每当进程从用户态进入内核态后都要使用栈，这个栈叫做进程的内核栈。当进程已进入内核栈，CPU就自动设置该进程的内核栈，这个栈位于内核的数据段上。为了节省空间，linux把内核栈和一个紧挨近PCB的小数据结构thread_info放在一起，占用8KB的内存空间。
在dup_task_struct中会调用alloc_thread_info分配两个页（8KB）的空闲内存（其内部调用的是一个__get_free_psages函数）。
有了task_struct结构体，后边copy_process继续复制其他资源到该结构体中。
2. 调度相关初始化
task_struct结构初始化之后，开始进行调度相关的初始化，这里仅设置任务状态和优先级，如图8。
图8.内核sched_fork
state = TASK_NEW这点表示，在调度器与进程创建的第二个逻辑交互时机，内核会调用调度器类的task_new函数，将新进程加入到相应的类的就绪队列。
该函数主要工作：
1 初始化跟调度相关的值，比如调度实体，运行时间等
2 根据父进程的运行优先级设置设置进程的优先级
3 设置调度类rt_sched_class（实时进程）或者fair_sched_class（普通进程）
3. 复制进程主要数据
接着继续复制files、fs、signal、mm、io等数据，需要关注的有：- copy_signal：如果创建的是进程，则会将父进程的信号屏蔽并安排复制到子进程中。如果创建的是线程，直接返回0。
copy_mm：如果是进程，则将父进程的mm_struct结构复制到子进程中，然后修改当中属于子进程有别于父进程的信息(如页目录)。如果是线程，则将子线程的mm指针和active_mm指针都指向父进程的mm指针所指结构。
图9.内核复制进程数据
4. 复制线程copy_thread
copy_thread函数将子进程的ip寄存器值设置为ret_from_fork()的地址，childregsax，即新进程的返回值设置为0，即当子进程首次被调用就立即执行系统调用clone返回0。
当子进程被调度到时，子进程处于内核态。经过switch_to函数进程切换，ip设置为thread.ip，sp设置为thread.sp。 ip是ret_from_fork，sp是 childregs。
对于子进程而言：好像是内核态正要执行到 ret_from_fork时，由于中断等原因被抢占，所以在fork执行完毕后，在随后进程调度中，新进程可能被调度到。执行完ret_from_fork中的一些代码，返回到用户态后，开始执行fork之后的代码。
这里的设置非常巧妙，对子进程的运行现场进行伪装，形成父进程fork后，子进程执行的分叉点。
ret_from_fork函数主要完成新进程寄存器的恢复，包括SS、CS段寄存器等，然后返回用户模式。
图11.x86函数ret_from_fork函数
5. 设置全局PID和收尾工作
将子进程的PID设置为在全局namespace中分配的PID，在不同namespace中进程的PID不同，而p->pid保存的是全局的namespace中所分配的PID。
接着进行TGID、PGID、SID的设置，并加入到链表中。
图12.设置全局pid
然后进行proc文件系统、cgroup等的关联，最后返回task_struct结构体指针。
图13.关联proc文件系统
五、 第4站：新进程调度运行
经过漫长的复制操作，最后回到第2站内核的fork过程，在kernel_clone中，copy_process结束后，调用wake_up_new_task函数。
这表明新进程调度相关的初始化已经完成，但是还没有被调度器加入到队列中，是不能被调度执行的。因此，该函数主要是将新进程加入到队列中。
图14.内核调用wake_up_new_task
在wake_up_new_task函数中，将进程加入到运行队列的函数为activate_task,而activate_task函数最后会调用到新进程调度类中的enqueue_task指针所指函数。
该函数会调用CFS调度类的enqueue_task_fair（普通进程），接着会调用enqueue_entity函数，完成调度中运行时间、权重等设置，最后加入CFS红黑树进程运行队列中，等待被调度执行。
图15.内核wake_up_new_task函数
六、 结束语
到此，fork一个新进程内核之旅第1部分结束了，其中分析了主要的流程，实际上还有大量的细节没有分析，有兴趣的读者可以进一步深入研究。
再回顾下整个过程，如下图part1部分，最后到新进程开始运行。同时预告下part2部分内容，将分析load程序实体的ELF和so，尤其是so的加载非常的有趣和精彩。
Linux内核博大精深，需要不断去探索，可谓是“路曼曼其修远，吾将上下而求索”。
图1.6.进程之旅系列
【参考文献】：
http://blog.chinaunix.net/uid-26772321-id-4820340.html
http://blog.chinaunix.net/uid-21718047-id-3071946.html
https://www.cnblogs.com/zxc2man/p/6649771.html
http://blog.chinaunix.net/uid-21718047-id-3071946.html
【源码获取】：
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/?h=linux-5.10.y
https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/stable-review/
https://android.googlesource.com