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Linux中0号进程的创建剖析

时间:2013-07-14 15:33来源:cnblogs 编辑:WJPeng 点击:
Linux中1号进程是由0号进程来创建的,因此必须要知道的是如何创建0号进程,由于在创建进程时,程序一直运行在内核态,而进程运行在用户态,因此创建0号进程涉及到特权级的变化,
Linux中1号进程是由0号进程来创建的,因此必须要知道的是如何创建0号进程,由于在创建进程时,程序一直运行在内核态,而进程运行在用户态,因此创建0号进程涉及到特权级的变化,即从特权级0变到特权级3,Linux是通过模拟中断返回来实现特权级的变化以及创建0号进程,通过将0号进程的代码段选择子以及程序计数器EIP直接压入内核态堆栈,然后利用iret汇编指令中断返回跳转到0号进程运行。
move_to_user_mode();//创建0号进程,开始进入0号进程,切换到特权级3运行
if (!fork()) {init();}//创建1号进程
跟踪代码:
#define move_to_user_mode() \
__asm__ ("movl %%esp,%%eax\n\t" \//将esp寄存器的内容存入eax中
    "pushl $0x17\n\t" \//压入0号任务的数据段选择符
    "pushl %%eax\n\t" \//压入堆栈指针
    "pushfl\n\t" \//压入标志寄存器
    "pushl $0x0f\n\t" \//压入0号任务的代码段选择符
    "pushl $1f\n\t" \//压入EIP,即切换到0号任务后CPU运行的位置
    "iret\n" \//中断返回指令
    "1:\tmovl $0x17,%%eax\n\t" \//由于发生了切换,需要更改各段寄存器
    "movw %%ax,%%ds\n\t" \//更改段寄存器ds
    "movw %%ax,%%es\n\t" \//更改段寄存器es
    "movw %%ax,%%fs\n\t" \//更改段寄存器fs
    "movw %%ax,%%gs" \//更改段寄存器gs
    :::"ax")
分析如下,注释已经很清楚:
代码为嵌入汇编语句的C程序,::”ax”表示的是输出为空,输入为空,在这个宏定义的执行过程中可以发生改变的是ax寄存器,这属于GNU的gas语法,不作解释

0x17与0x0f的真实意义,跟踪查看前先写成二进制形式

0x17=0000 0000 0001 0111

0x0f=0000 0000 0000 1111

0x17与0x0f的后三们均是111,段选择子的后三位分别表示RPL以及TI,因此后三位即表示请示特权级为3,描述符在LDT中,故0x17与0x0f分别表示LDT中的第二项与第一项,即然是LDT表,在使用之前肯定要进行初始化,帮初始化代码肯定在move_to_user_mode之前,跟踪分析可以发现在sched_init中,源码如下:
void sched_init(void)
{
    int i;
//desc_struct表示是描述符表类型typedef struct desc_struct{a,b}desc_table[256];
    struct desc_struct * p;
    if (sizeof(struct sigaction) != 16)
        panic("Struct sigaction MUST be 16 bytes");
//这里开始是关键部分,gdt是全局描述符表的基地址
//FIRST_TSS_ENTRY与FIRST_LDT_ENTRY分别是4,5即全局描述符表中的第4项
//与第五项代表的是第一个任务,对其进行设置
//查看static union task_union init_task = {INIT_TASK,};可以看到INIT_TASK可以看到//INIT_TASK是个宏定义,即下面的注释
    set_tss_desc(gdt+FIRST_TSS_ENTRY,&(init_task.task.tss));
    set_ldt_desc(gdt+FIRST_LDT_ENTRY,&(init_task.task.ldt));
//p指向GDT表中0号任务的下一个位置,即GDT表中第6项
    p = gdt+2+FIRST_TSS_ENTRY;
//NR_TASKS是Linux 0.11中最多支持的进程数64个
    for(i=1;i<NR_TASKS;i++) {
        task[i] = NULL;
//重复两次是因为每个进程对应一个LDT与一个TSS
        p->a=p->b=0;
        p++;
        p->a=p->b=0;
        p++;
    }
//将标志寄存器的NT位禁止
    __asm__("pushfl ; andl $0xffffbfff,(%esp) ; popfl");
//#define ltr(n) __asm__("ltr %%ax"::"a" (_TSS(n)))这是宏定义,很显然吧
//加载当前的任务寄存器与ldtr寄存器
    ltr(0);
//#define lldt(n) __asm__("lldt %%ax"::"a" (_LDT(n)))
    lldt(0);
//定时器8253的初始化
    outb_p(0x36,0x43);        /* binary, mode 3, LSB/MSB, ch 0 */
//#define LATCH (1193180/HZ),用此设置后时钟中断为每10ms一次
    outb_p(LATCH & 0xff , 0x40);    /* LSB */
    outb(LATCH >> 8 , 0x40);    /* MSB */
//后面是设置定时器的中断以及打开定时器
    set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt);
    outb(inb_p(0x21)&~0x01,0x21);
    set_system_gate(0x80,&system_call);
//备注:
//定时器有三个锁存器,他们各有其则,锁存器0用于维护系统时钟,地址为0x40
//锁存器1用于周期性的向DMA发送数据信号,供存储器刷新用,地址为0x41
//锁存器2用于扬声器发出声音,地址为0x42,因此这里向0x40设定值
}
INIT_TASK宏定义,其实就是0号任务,看起来比较混乱,其实就是初始化task_struct结构体
#define INIT_TASK \
//0表示可运行的,15表示运行时间片,15表示运行优化级
/* state etc */    { 0,15,15, \
//0表示没有信号,{{}}信号处理句柄设为0,0表示不屏蔽信号
/* signals */    0,{{},},0, \//初始化信号设置
//将exit_code以及start_code,end_code,end_data,brk,start_stack均设为0
/* ec,brk... */    0,0,0,0,0,0, \
//0表示进程号,-1表示父进程,后面三个0表示,pgrp,session,leader
/* pid etc.. */    0,-1,0,0,0, \
//设置进程的这6个成员unsigned short uid,euid,suid; unsigned short gid,egid,sgid;
/* uid etc */    0,0,0,0,0,0, \
//设置进程的报警定时器以及5个时间函数
/* alarm */    0,0,0,0,0,0, \
//表明该进程未使用协处理器
/* math */    0, \
/* fs info */    -1,0022,NULL,NULL,NULL,0, \
/* filp */    {NULL,}, \
//这里就是很关键的一部份,表始初始化一个局部LDT表,即第一个任务的
    { \
        {0,0}, \
/* ldt */    {0x9f,0xc0fa00}, \
        {0x9f,0xc0f200}, \
    }, \
//第一个任务的任务状态表,跟踪struct tss_struct可以知道其详细意义
/*tss*/    {0,PAGE_SIZE+(long)&init_task,0x10,0,0,0,0,(long)&pg_dir,\
,0,0,0,0,0,0,0, \
,0,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17, \
     _LDT(0),0x80000000, \
        {} \
    }, \
}
到这了,也差不多了,额外的部份再看看第一个任务的LDT表与TSS表,由上面可知0号任务的LDT的代码段与数据段分别为{0x9f,0xc0fa00}与{0x9f,0xc0f200},根据保护模式下的定义,可以代码段的段基址为0,段限长为640KB,段属性为存在于内存中、特权级为3,代码段,同理分析得数据段的段基址为0,段限长为640KB,段属性为存在于内存中,特权级为3,数据段

第一个任务的状态表,提一下吧
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;
};
根据这个表可以看到的是任务0的内核态堆栈指针esp0=PAGE_SIZE+(long)&init_task,即第一个PCB块(task_struct)的顶部空间,PAGE_SIZE=4k,ss0=0x10,0x10查一下head.s你就会发现是gdt的第一个描述符,即内核代码段,后面还有几个是对数据段寄存器的定义以及ldt的定义

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