如何查看linux系统调用的函数实现 && 和进程创建相关的几个系统调用

描述

• 系统调用的调用号，在系统调用的前面，加上 __NR_ (NR前面2个下划线)即可，比如搜索 __NR_vfork.
• 系统调用的实现函数的定义，都是形如 SYSCALL_DEFINE(vfork,) 或者 SYSCALL_DEFINEx(vfork,),(这里的x表示参数个数)，可以通过grep快速搜索实现定义

   grep -rn "SYSCALL_DEFINE" | grep vfork 

__do_fork的实现

• 不论是fork还是vfork内部最终都会调到 __do_fork

_do_fork
  copy_process
    dup_task_struct  // 创建task_struct结构
      copy_files     // 创建 files_struct *files ，复制原 task 该结构体的内容，但并不是完全一样的, 具体不一样的细节没看明白
        copy_mm      // [重要] 将 struct mm_struct *mm 指向原 task 的指针 
        xx           // 其它操作 

• 上面引入了重要的数据结构 struce mm_struct ，该结构定义了一个进程的整个虚拟地址空间，它里面有一个结构体 struct vm_area_struct *mmap
  struct vm_area_struct *mmap 是什么呢，它就是大名鼎鼎的这个进程所有VMA的列表。
• VMA是虚拟内存的中的连续的一块虚拟内存，这块连续内存出于相同目的创建，有相同权限，默认是4KB对齐的，可以通过/proc/PID/maps查看

do_execve的实现

  do_execve
    do_execveat_common
      exec_binprm
        search_binary_handler // 轮询名为formats的list，看谁可以处理这种格式的文件，会找到下面这个节点 elf_format
            static struct linux_binfmt elf_format = {
            .module     = THIS_MODULE,
            .load_binary    = load_elf_binary,
            .load_shlib = load_elf_library,
            .core_dump  = elf_core_dump,
            .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
        };
           load_elf_binary (可以参考这个wiki，很详细 https://www.cnblogs.com/inevermore/p/4438944.html )
             elf_map // 最终调用到 do_mmap , 也就是 mmap的核心处理，完成文件的映射
             elf_entry = load_elf_interp // 获取ld.so的入口地址，如果有动态链接库就会有，如果没有就不会有，没有的话，elf_entry就会赋值为进程本身入口地址
             start_thread(regs, elf_entry, bprm->p);   // 传入执行入口地址(elf_entry，也就是ld.so的入口地址或者可执行程序本身的入口地址)，同时传入了regs寄存器组，这个寄存器组是当前进程的寄存器组，也就是用户态寄存器组，这样自动同时自动切换到了用户态

do_mmap的实现

  do_mmap
    do_mmap_pgoff
      找到一块可用的虚拟内存地址, 作为vma的起始地址
      mmap_region
        (由于MMAP有 MAP_FIXED 的场景，这种情况下，需要先 do_munmap )
        vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);  // 创建1个vma
        vma->vm_mm = mm; // 设置这个vma的内存描述符 (struct mm_struct *)，每个进程只有1个
        vma->vm_pgoff = pgoff; // 设置这个vma的以page为单位的偏移
        
        error = file->f_op->mmap(file, vma); // 通过调用文件系统本身的mmap钩子，来实现地址映射，常用的是ext4:
        ext4_file_mmap()是ext4对应的mmap。
          ext4_file_mmap 
            vma->vm_ops = &ext4_file_vm_ops;    // 核心的一行，可以看到并没有发生实际的虚拟地址到文件的映射，只是设置了这个vma的操作函数
              /*
              static const struct vm_operations_struct ext4_file_vm_ops = {
                .fault      = filemap_fault,
                .map_pages  = filemap_map_pages,
                .page_mkwrite   = ext4_page_mkwrite,
              };                                
              */

• 可以看到mmap执行本身最后并没有发生虚拟地址的映射，只是设置了vma的操作函数，其中有个重要的操作函数是61行的filemap_fault.这个函数是用于随后，
  当实际访问这个虚拟地址时，由于没有映射，会触发缺页中断，OS就会找到这个 vma的.fault的处理函数，也就是61行的filemap_fault. 下面看下这个函数。

filemap_fault的实现 - 填充page cache

• 这个函数核心目的是，找到page cache，没有就创建1个，然后进行预取动作，我俗称填充动作(也就是将文件的内容从flash读取到page cache对应的物理页中)。
• 这个函数具体流程是，检查是否存在这个文件的page cache(page cache是啥，往下看)发起IO，将falsh内容，读取到page cache , 然后把文件对应的page cache，也就是 struct page * ，找到并赋值给 vmf->page (struct vm_fault* vmf)。
• linux的page cache:
  linux的每个物理文件，在内存中都有一个对应的page cache，在linux中通过 struct page*来表示这个page cache.
  主要作用：提供一个内存，并对这个内存区域进行预读，提高效率。这样相比直接读写flash效率更高

    filemap_fault
      page_cache_read  // 若page cache不存在，则发起IO，将falsh内容，读取到 page cache。执行完后，再通过goto走到下面第7行的page cache存在的处理，即预读。
        ext4_readpage (也就是mapping->a_ops->readpage这一行，它最终调到下面的函数)
          ext4_read_inline_page
            kaddr = kmap_atomic(page) // 将物理内存映射到内核的虚拟地址空间，得到映射后的地址kaddr
            ext4_read_inline_data   // 读取flash中的内容到这个地址kaddr
            kunmap_atomic   // 取消映射
      do_async_mmap_readahead // 若page cache存在，则进行预读处理，也就是把flash中文件内存读取到 page cache 中

• 上面的4~6行具体是在将文件内容从flash读取到page所在的物理内存(page没忘吧, 就是page cache), 但是即便是OS也不能直接对物理内存进行写，因为也要通过MMU来访问物理内存，所以OS先通过kmap_atomic拿到1个和这个物理地址对应的虚拟地址kaddr，再通过这个地址kaddr去写其对应的物理地址，也就是这个page cache.

建立虚拟地址到page cache的映射

• 上面的filemap_fault只是填充了page cache，也就是填充了 struct page * , 但是还欠缺虚拟地址到这个page cache的映射，也就是建立这个页表，只有这个完成了，缺页异常的处理才算完整了。下面跟着流程，从缺页异常的开始，是怎么建立页表，并和上面的filemap_fault建立联系的，继续往下看

do_page_fault // 区分是用户态的 page_fault 还是内核态的 page_fault 
    __do_page_fault // 查找对应的vma，如果没有(会检查权限不够吗？)则触发 SEGV 段错误
       handle_mm_fault
         __handle_mm_fault
           handle_pte_fault  // 建立页表函数
             do_anonymous_page  // 处理匿名映射
             do_fault  // 处理匿名映射，这里就会逐渐调入
                do_read_fault
                    __do_fault(,&fault_page))  // 返回出来这个文件的page cache
                        vma->vm_ops->fault  // 这里就是走到了之前mmap的时候，注册的page fault的回调了，也就是走到了上面的那个ext4_file_vm_ops注册的filemap_fault. 从这里可以看到，通过这个来申请或填充这个page cache，并且返回出来这个page cache
                    do_set_pte(fault_page)  // 建立vma的虚拟地址和page cache的映射

                                                  *