MINIX中的進程創(chuàng)建v2.doc

965MINIX中的進程創(chuàng)建MINIX的系統(tǒng)中是由PM管理進程創(chuàng)建，但是具體創(chuàng)建操作由PM、內核、FS三部分完成。創(chuàng)建首先是用戶調用 lib/posix/_fork.c中的fork()要求創(chuàng)建進程，這條調用最終轉化成調用src/kernel/proc.c中的sys_call()，并構建一條消息message，其中寫明m-m_source為當前調用者進程號，消息類型m-m_type為FORK。消息（即圖中的m）的地址這時已經作為參數被傳遞進來，sys_call()可以據此得知m的內容，并在適當的時候將內容傳遞給PM（即圖中MM）。PM的工作就是不斷地獲取并處理消息，所以它能夠得到用戶進程發(fā)送的m，并將其存放在m_in中。當PM分析m_in-m_type為FORK，得知了消息的內容是要進行fork操作，它就進一步調用其do_fork()完成整個過程。PM進行FORK操作后，以發(fā)消息的形式通知內核中的系統(tǒng)任務SYSTEM和文件系統(tǒng)FS進行各自的Fork操作，最后由PM設置消息m_out向調用者進程進行回復和提供返回值。下圖1說明了用戶要求進程創(chuàng)建時，消息的傳遞過程。圖中使用了三種箭頭，實線表示消息的發(fā)送過程，點線表示消息的獲取過程，虛線表示發(fā)送和接收消息都會經歷的過程。圖1 Minix的fork調用消息傳遞過程1 FORK所操作的數據對象1.1 PM對數據對象的操作1.1.1 PM為子進程分配內存空間在執(zhí)行fork調用時，如果中途停止，是很困難的事情。所以PM擔心兩件事情會導致進程創(chuàng)建失敗，一是沒有空閑的進程表項，二是當前內存不足，不能為子進程分配足夠內存。為此，首先PM維護一個計數器procs_in_use，記錄當前的進程個數，以方便知道是否有空閑進程表項。其次，PM調用alloc_mem(total_size)嘗試為子進程分配內存，如果返回值為NO_MEM則直接退出并反饋內存不足，如果分配內存成功，那么這次fork就一定能成功。PM查看父進程的內存映射表mp_seg，計算其數據段長度、棧段長度和兩段的間隔gap的大小，以確定應該為子進程申請的內存大小，隨后為子進程申請內存空間。成功申請之后將父進程的內存數據段、棧段和兩段的中間間隔gap（也就是堆）完整的復制到子進程剛申請的內存頁面中。PM復制的內存是從數據段的開始一直到棧段的棧底部，至于代碼段有兩種情況，一是檢查父進程rmp-mp_flags & SEPARATE是否成立(附錄中有所有狀態(tài)定義)，成立說明父進程是分離的I&D空間，那么父子進程可以共享代碼段，代碼段就不用復制，并且內存映射表mp_seg中代碼段映射mp_segT不用修改，二是父進程是不分離的I&D空間，就是代碼段和數據段是在一起的，即代碼在數據段中，那么上述內存拷貝從數據段的開始一直到棧段的棧底部，代碼段也就一同被拷貝到子進程內存空間中了。1.1.2 PM創(chuàng)建子進程的進程控制塊PM根據procs_in_use確定有空閑表項后。以遍歷的方式檢查每個表項的mp_flags，直到找到一個mp_flags的IN_USE位沒被置位的表項。通過復制的形式，將父進程進程控制塊復制到這個進程控制塊表項中，因為子進程內存的物理地址改變了，所以要修改子進程控制塊中的內存映射表mp_seg，將其代碼段、數據段和棧段的物理地址mem_phys進行更新，其次PM為子進程控制塊（記做rmc）做其他修改：1、修改其父進程rmc-parent為當前執(zhí)行fork調用的進程，2、修改子進程的進程狀態(tài)mp_flag、退出狀態(tài)mp_exitstatus、信號狀態(tài)mp_sigstatus和子進程運行時間mp_child_utime為默認，3、分配給子進程一個pid號。PM進程控制塊定義可見附錄中mproc。1.2 內核對數據對象的操作內核負責在為子進程創(chuàng)建內核中的進程控制塊，在復制控制塊前，內核先保存子進程控制塊中的LDT表選擇子p_ldt_sel。在復制了父進程控制塊后將子進程的LDT表選擇子重設為它原來的選擇子，這個選擇子內有LDT表描述符的索引并指示要從GDT表查找這個描述符，這樣GDT表和每個進程控制塊中LDT表的關聯關系始終被保持。內核為子進程復制進程控制塊，為子進程和父進程平分時間片，并將子進程的進程狀態(tài)進行修改以抑制它運行（它目前還不能運行），在收到PM發(fā)來的更新內存映射消息Sys_newmap后，內核了解了子進程的內存映射mp_seg，并以此設置進程的代碼段、數據段的段描述符segdesc_s，這兩個段描述符組成進程的局部描述符表p_ldt2，這個LDT表就在內核進程控制塊中，通過選擇子p_ldt_sel，最終可以找到它。具體由定位到對應段線性地址的說明見附錄示意圖。最后，凡是fork創(chuàng)建的進程都是普通用戶進程，不是特權進程，所以如果是特權進程（priv(rpp)-s_flag=SYS_PROC）執(zhí)行fork，那么內核將子進程控制塊中的特權結構體指針*priv指向用戶特權級結構體，即地址priv_addr(USER_PRIV_ID)，這個特權級結構對象用于該進程的訪問控制（控制它對數據的訪問和說明它被允許的系統(tǒng)調用范圍，具體說明見priv）。1.3 FS對數據對象的操作FS在收到tell_fs調用消息后，根據消息m_in.child和m_in.parent找到子進程表項位置，為其復制進程控制塊，將與子進程相關的根文件目錄inode *fp_rootdir和工作目錄inode *fp_workdir加1，即該節(jié)點引用次數加1。1.4 PM設置回復消息并進而使子進程轉為就緒態(tài)在內核和FS處理完其工作后會返回PM，PM會向父進程和子進程發(fā)送回復消息，在內核負責轉發(fā)這兩條消息時，子進程就被重新設置為就緒態(tài)，不再別抑制運行了。附錄：1、Minix中消息Message的定義如下：typedef struct int m_source;/* who sent the message */ int m_type;/* what kind of message is it */ union mess_1 m_m1;mess_2 m_m2;mess_3 m_m3;mess_4 m_m4;mess_5 m_m5;mess_7 m_m7;mess_8 m_m8;mess_9 m_m9;/*added by lcm*/ m_u; message;2、PM維護有4個全局變量用于輔助完成服務，它們是：message m_in;/* the input message itself */message m_out;/* the output message used for reply */int who;/* callers proc number */int callnr;/* system call number */3、PM不僅負責進程管理，還直接負責內存分配，所以它直接調用alloc_mem(total_size)函數嘗試分配內存。alloc_mem()函數功能是檢查PM維護的空閑鏈表hole，其鏈上的塊內存有沒有大小大于total_size的塊，有的話就切去這一塊內存分配給進程，同時修改這個空閑塊的大小和起始地址。hole鏈表中元素hole定義如下，它代表一塊空閑內存：struct hole struct hole *h_next; /* pointer to next entry on the list */ phys_clicks h_base; /* where does the hole begin? */ phys_clicks h_len; /* how big is the hole? */;4、PM同內核一樣用一個32位無符號數mp_flags說明進程的狀態(tài)信息，目前定義的狀態(tài)值共有以下幾種：/* Flag values */#define IN_USE 0x001/* set when mproc slot in use */#define WAITING 0x002/* set by WAIT system call */#define ZOMBIE 0x004/* set by EXIT, cleared by WAIT */#define PAUSED 0x008/* set by PAUSE system call */#define ALARM_ON 0x010/* set when SIGALRM timer started */#define SEPARATE0x020/* set if file is separate I & D space */#defineTRACED0x040/* set if process is to be traced */#define STOPPED0x080/* set if process stopped for tracing */#define SIGSUSPENDED 0x100/* set by SIGSUSPEND system call */#define REPLY 0x200/* set if a reply message is pending */#define ONSWAP 0x400/* set if data segment is swapped out */#define SWAPIN 0x800/* set if on the swap this in queue */#define DONT_SWAP 0x1000 /* never swap out this process */#define PRIV_PROC 0x2000 /* system process, special privileges */5、mproc的定義EXTERN struct mproc struct mem_map mp_segNR_LOCAL_SEGS; /* points to text, data, stack */ char mp_exitstatus;/* storage for status when process exits */ char mp_sigstatus;/* storage for signal # for killed procs */ pid_t mp_pid;/* process id */ pid_t mp_procgrp;/* pid of process group (used for signals) */ pid_t mp_wpid;/* pid this process is waiting for */ int mp_parent;/* index of parent process */ /* Child user and system times. Accounting done on child exit. */ clock_t mp_child_utime;/* cumulative user time of children */ clock_t mp_child_stime;/* cumulative sys time of children */ /* Real and effective uids and gids. */ uid_t mp_realuid;/* process real uid */ uid_t mp_effuid;/* process effective uid */ gid_t mp_realgid;/* process real gid */ gid_t mp_effgid;/* process effective gid */ /* File identification for sharing. */ ino_t mp_ino;/* inode number of file */ dev_t mp_dev;/* device number of file system */ time_t mp_ctime;/* inode changed time */ /* Signal handling information. */ sigset_t mp_ignore;/* 1 means ignore the signal, 0 means dont */ sigset_t mp_catch;/* 1 means catch the signal, 0 means dont */ sigset_t mp_sig2mess;/* 1 means transform into notify message */ sigset_t mp_sigmask;/* signals to be blocked */ sigset_t mp_sigmask2;/* saved copy of mp_sigmask */ sigset_t mp_sigpending;/* pending signals to be handled */ struct sigaction mp_sigact_NSIG + 1; /* as in sigaction(2) */ vir_bytes mp_sigreturn; /* address of C library _sigreturn function */ struct timer mp_timer;/* watchdog timer for alarm(2) */ /* Backwards compatibility for signals. */ sighandler_t mp_func;/* all sigs vectored to a single user fcn */ unsigned mp_flags;/* flag bits */ vir_bytes mp_procargs; /* ptr to procs initial stack arguments */ struct mproc *mp_swapq;/* queue of procs waiting to be swapped in */ message mp_reply;/* reply message to be sent to one */ /* Scheduling priority. */ signed int mp_nice;/* nice is PRIO_MIN.PRIO_MAX, standard 0. */ char mp_namePROC_NAME_LEN;/* process name */ mprocNR_PROCS;6、PM用數組Mem_map mp_seg3來記錄代碼段、數據段和棧段的基址虛擬地址和基址物理地址的映射，以便于通知內核創(chuàng)建相應段的段描述符，其元素mem_map結構如下： struct mem_map vir_clicks mem_vir;/* virtual address */ phys_clicks mem_phys;/* physical address */ vir_clicks mem_len;/* length */;7、Minix中描述符結構為segdesc_s，8字節(jié)長，與intel保護模式的描述格式相同：struct segdesc_s /* segment descriptor for protected mode */ u16_t limit_low; u16_t base_low; u8_t base_middle; u8_t access;/* |P|DL|1|X|E|R|A| */ u8_t granularity;/* |G|X|0|A|LIMT| */ u8_t base_high;8、局部描述附表LDT在每個進程的進程控制塊中，呈一個數組，每個元素為一個描述符，定義如下：Struct segdesc_s p_ldt2；9、特權級結構體，用于訪問控制。struc