MINIX中的进程创建v2.doc

965MINIX中的进程创建MINIX的系统中是由PM管理进程创建，但是具体创建操作由PM、内核、FS三部分完成。创建首先是用户调用 lib/posix/_fork.c中的fork()要求创建进程，这条调用最终转化成调用src/kernel/proc.c中的sys_call()，并构建一条消息message，其中写明m-m_source为当前调用者进程号，消息类型m-m_type为FORK。消息（即图中的m）的地址这时已经作为参数被传递进来，sys_call()可以据此得知m的内容，并在适当的时候将内容传递给PM（即图中MM）。PM的工作就是不断地获取并处理消息，所以它能够得到用户进程发送的m，并将其存放在m_in中。当PM分析m_in-m_type为FORK，得知了消息的内容是要进行fork操作，它就进一步调用其do_fork()完成整个过程。PM进行FORK操作后，以发消息的形式通知内核中的系统任务SYSTEM和文件系统FS进行各自的Fork操作，最后由PM设置消息m_out向调用者进程进行回复和提供返回值。下图1说明了用户要求进程创建时，消息的传递过程。图中使用了三种箭头，实线表示消息的发送过程，点线表示消息的获取过程，虚线表示发送和接收消息都会经历的过程。图1 Minix的fork调用消息传递过程1 FORK所操作的数据对象1.1 PM对数据对象的操作1.1.1 PM为子进程分配内存空间在执行fork调用时，如果中途停止，是很困难的事情。所以PM担心两件事情会导致进程创建失败，一是没有空闲的进程表项，二是当前内存不足，不能为子进程分配足够内存。为此，首先PM维护一个计数器procs_in_use，记录当前的进程个数，以方便知道是否有空闲进程表项。其次，PM调用alloc_mem(total_size)尝试为子进程分配内存，如果返回值为NO_MEM则直接退出并反馈内存不足，如果分配内存成功，那么这次fork就一定能成功。PM查看父进程的内存映射表mp_seg，计算其数据段长度、栈段长度和两段的间隔gap的大小，以确定应该为子进程申请的内存大小，随后为子进程申请内存空间。成功申请之后将父进程的内存数据段、栈段和两段的中间间隔gap（也就是堆）完整的复制到子进程刚申请的内存页面中。PM复制的内存是从数据段的开始一直到栈段的栈底部，至于代码段有两种情况，一是检查父进程rmp-mp_flags & SEPARATE是否成立(附录中有所有状态定义)，成立说明父进程是分离的I&D空间，那么父子进程可以共享代码段，代码段就不用复制，并且内存映射表mp_seg中代码段映射mp_segT不用修改，二是父进程是不分离的I&D空间，就是代码段和数据段是在一起的，即代码在数据段中，那么上述内存拷贝从数据段的开始一直到栈段的栈底部，代码段也就一同被拷贝到子进程内存空间中了。1.1.2 PM创建子进程的进程控制块PM根据procs_in_use确定有空闲表项后。以遍历的方式检查每个表项的mp_flags，直到找到一个mp_flags的IN_USE位没被置位的表项。通过复制的形式，将父进程进程控制块复制到这个进程控制块表项中，因为子进程内存的物理地址改变了，所以要修改子进程控制块中的内存映射表mp_seg，将其代码段、数据段和栈段的物理地址mem_phys进行更新，其次PM为子进程控制块（记做rmc）做其他修改：1、修改其父进程rmc-parent为当前执行fork调用的进程，2、修改子进程的进程状态mp_flag、退出状态mp_exitstatus、信号状态mp_sigstatus和子进程运行时间mp_child_utime为默认，3、分配给子进程一个pid号。PM进程控制块定义可见附录中mproc。1.2 内核对数据对象的操作内核负责在为子进程创建内核中的进程控制块，在复制控制块前，内核先保存子进程控制块中的LDT表选择子p_ldt_sel。在复制了父进程控制块后将子进程的LDT表选择子重设为它原来的选择子，这个选择子内有LDT表描述符的索引并指示要从GDT表查找这个描述符，这样GDT表和每个进程控制块中LDT表的关联关系始终被保持。内核为子进程复制进程控制块，为子进程和父进程平分时间片，并将子进程的进程状态进行修改以抑制它运行（它目前还不能运行），在收到PM发来的更新内存映射消息Sys_newmap后，内核了解了子进程的内存映射mp_seg，并以此设置进程的代码段、数据段的段描述符segdesc_s，这两个段描述符组成进程的局部描述符表p_ldt2，这个LDT表就在内核进程控制块中，通过选择子p_ldt_sel，最终可以找到它。具体由定位到对应段线性地址的说明见附录示意图。最后，凡是fork创建的进程都是普通用户进程，不是特权进程，所以如果是特权进程（priv(rpp)-s_flag=SYS_PROC）执行fork，那么内核将子进程控制块中的特权结构体指针*priv指向用户特权级结构体，即地址priv_addr(USER_PRIV_ID)，这个特权级结构对象用于该进程的访问控制（控制它对数据的访问和说明它被允许的系统调用范围，具体说明见priv）。1.3 FS对数据对象的操作FS在收到tell_fs调用消息后，根据消息m_in.child和m_in.parent找到子进程表项位置，为其复制进程控制块，将与子进程相关的根文件目录inode *fp_rootdir和工作目录inode *fp_workdir加1，即该节点引用次数加1。1.4 PM设置回复消息并进而使子进程转为就绪态在内核和FS处理完其工作后会返回PM，PM会向父进程和子进程发送回复消息，在内核负责转发这两条消息时，子进程就被重新设置为就绪态，不再别抑制运行了。附录：1、Minix中消息Message的定义如下：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维护有4个全局变量用于辅助完成服务，它们是：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不仅负责进程管理，还直接负责内存分配，所以它直接调用alloc_mem(total_size)函数尝试分配内存。alloc_mem()函数功能是检查PM维护的空闲链表hole，其链上的块内存有没有大小大于total_size的块，有的话就切去这一块内存分配给进程，同时修改这个空闲块的大小和起始地址。hole链表中元素hole定义如下，它代表一块空闲内存：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同内核一样用一个32位无符号数mp_flags说明进程的状态信息，目前定义的状态值共有以下几种：/* 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的定义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用数组Mem_map mp_seg3来记录代码段、数据段和栈段的基址虚拟地址和基址物理地址的映射，以便于通知内核创建相应段的段描述符，其元素mem_map结构如下： struct mem_map vir_clicks mem_vir;/* virtual address */ phys_clicks mem_phys;/* physical address */ vir_clicks mem_len;/* length */;7、Minix中描述符结构为segdesc_s，8字节长，与intel保护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在每个进程的进程控制块中，呈一个数组，每个元素为一个描述符，定义如下：Struct segdesc_s p_ldt2；9、特权级结构体，用于访问控制。struc