xref: /DragonOS/kernel/src/process/fork.rs (revision f79998f626801329580c782fd05e36cb2027f474)
1 use core::{intrinsics::unlikely, sync::atomic::Ordering};
2 
3 use alloc::{string::ToString, sync::Arc};
4 use log::error;
5 use system_error::SystemError;
6 
7 use crate::{
8     arch::{interrupt::TrapFrame, ipc::signal::Signal},
9     filesystem::procfs::procfs_register_pid,
10     ipc::signal::flush_signal_handlers,
11     libs::rwlock::RwLock,
12     mm::VirtAddr,
13     process::ProcessFlags,
14     sched::{sched_cgroup_fork, sched_fork},
15     smp::core::smp_get_processor_id,
16     syscall::user_access::UserBufferWriter,
17 };
18 
19 use super::{
20     kthread::{KernelThreadPcbPrivate, WorkerPrivate},
21     KernelStack, Pid, ProcessControlBlock, ProcessManager,
22 };
23 
24 bitflags! {
25     /// 进程克隆标志
26     pub struct CloneFlags: u64 {
27         /// 在进程间共享虚拟内存空间
28         const CLONE_VM = 0x00000100;
29         /// 在进程间共享文件系统信息
30         const CLONE_FS = 0x00000200;
31         /// 共享打开的文件
32         const CLONE_FILES = 0x00000400;
33         /// 克隆时,与父进程共享信号处理结构体
34         const CLONE_SIGHAND = 0x00000800;
35         /// 返回进程的文件描述符
36         const CLONE_PIDFD = 0x00001000;
37         /// 使克隆对象成为父进程的跟踪对象
38         const CLONE_PTRACE = 0x00002000;
39         /// 在执行 exec() 或 _exit() 之前挂起父进程的执行
40         const CLONE_VFORK = 0x00004000;
41         /// 使克隆对象的父进程为调用进程的父进程
42         const CLONE_PARENT = 0x00008000;
43         /// 拷贝线程
44         const CLONE_THREAD = 0x00010000;
45         /// 创建一个新的命名空间,其中包含独立的文件系统挂载点层次结构。
46         const CLONE_NEWNS =	0x00020000;
47         /// 与父进程共享 System V 信号量。
48         const CLONE_SYSVSEM = 0x00040000;
49         /// 设置其线程本地存储
50         const CLONE_SETTLS = 0x00080000;
51         /// 设置partent_tid地址为子进程线程 ID
52         const CLONE_PARENT_SETTID = 0x00100000;
53         /// 在子进程中设置一个清除线程 ID 的用户空间地址
54         const CLONE_CHILD_CLEARTID = 0x00200000;
55         /// 创建一个新线程,将其设置为分离状态
56         const CLONE_DETACHED = 0x00400000;
57         /// 使其在创建者进程或线程视角下成为无法跟踪的。
58         const CLONE_UNTRACED = 0x00800000;
59         /// 设置其子进程线程 ID
60         const CLONE_CHILD_SETTID = 0x01000000;
61         /// 将其放置在一个新的 cgroup 命名空间中
62         const CLONE_NEWCGROUP = 0x02000000;
63         /// 将其放置在一个新的 UTS 命名空间中
64         const CLONE_NEWUTS = 0x04000000;
65         /// 将其放置在一个新的 IPC 命名空间中
66         const CLONE_NEWIPC = 0x08000000;
67         /// 将其放置在一个新的用户命名空间中
68         const CLONE_NEWUSER = 0x10000000;
69         /// 将其放置在一个新的 PID 命名空间中
70         const CLONE_NEWPID = 0x20000000;
71         /// 将其放置在一个新的网络命名空间中
72         const CLONE_NEWNET = 0x40000000;
73         /// 在新的 I/O 上下文中运行它
74         const CLONE_IO = 0x80000000;
75         /// 克隆时,与父进程共享信号结构体
76         const CLONE_SIGNAL = 0x00010000 | 0x00000800;
77         /// 克隆时,将原本被设置为SIG_IGNORE的信号,设置回SIG_DEFAULT
78         const CLONE_CLEAR_SIGHAND = 0x100000000;
79     }
80 }
81 
82 /// ## clone与clone3系统调用的参数载体
83 ///
84 /// 因为这两个系统调用的参数很多,所以有这样一个载体更灵活
85 ///
86 /// 仅仅作为参数传递
87 #[derive(Debug, Clone, Copy)]
88 pub struct KernelCloneArgs {
89     pub flags: CloneFlags,
90 
91     // 下列属性均来自用户空间
92     pub pidfd: VirtAddr,
93     pub child_tid: VirtAddr,
94     pub parent_tid: VirtAddr,
95     pub set_tid: VirtAddr,
96 
97     /// 进程退出时发送的信号
98     pub exit_signal: Signal,
99 
100     pub stack: usize,
101     // clone3用到
102     pub stack_size: usize,
103     pub tls: usize,
104 
105     pub set_tid_size: usize,
106     pub cgroup: i32,
107 
108     pub io_thread: bool,
109     pub kthread: bool,
110     pub idle: bool,
111     pub func: VirtAddr,
112     pub fn_arg: VirtAddr,
113     // cgrp 和 cset?
114 }
115 
116 impl KernelCloneArgs {
117     pub fn new() -> Self {
118         let null_addr = VirtAddr::new(0);
119         Self {
120             flags: unsafe { CloneFlags::from_bits_unchecked(0) },
121             pidfd: null_addr,
122             child_tid: null_addr,
123             parent_tid: null_addr,
124             set_tid: null_addr,
125             exit_signal: Signal::SIGCHLD,
126             stack: 0,
127             stack_size: 0,
128             tls: 0,
129             set_tid_size: 0,
130             cgroup: 0,
131             io_thread: false,
132             kthread: false,
133             idle: false,
134             func: null_addr,
135             fn_arg: null_addr,
136         }
137     }
138 }
139 
140 impl ProcessManager {
141     /// 创建一个新进程
142     ///
143     /// ## 参数
144     ///
145     /// - `current_trapframe`: 当前进程的trapframe
146     /// - `clone_flags`: 进程克隆标志
147     ///
148     /// ## 返回值
149     ///
150     /// - 成功:返回新进程的pid
151     /// - 失败:返回Err(SystemError),fork失败的话,子线程不会执行。
152     ///
153     /// ## Safety
154     ///
155     /// - fork失败的话,子线程不会执行。
156     pub fn fork(
157         current_trapframe: &TrapFrame,
158         clone_flags: CloneFlags,
159     ) -> Result<Pid, SystemError> {
160         let current_pcb = ProcessManager::current_pcb();
161 
162         let new_kstack: KernelStack = KernelStack::new()?;
163 
164         let name = current_pcb.basic().name().to_string();
165 
166         let pcb = ProcessControlBlock::new(name, new_kstack);
167 
168         let mut args = KernelCloneArgs::new();
169         args.flags = clone_flags;
170         args.exit_signal = Signal::SIGCHLD;
171         Self::copy_process(&current_pcb, &pcb, args, current_trapframe).map_err(|e| {
172             error!(
173                 "fork: Failed to copy process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
174                 current_pcb.pid(),
175                 pcb.pid(),
176                 e
177             );
178             e
179         })?;
180         ProcessManager::add_pcb(pcb.clone());
181 
182         // 向procfs注册进程
183         procfs_register_pid(pcb.pid()).unwrap_or_else(|e| {
184             panic!(
185                 "fork: Failed to register pid to procfs, pid: [{:?}]. Error: {:?}",
186                 pcb.pid(),
187                 e
188             )
189         });
190 
191         pcb.sched_info().set_on_cpu(Some(smp_get_processor_id()));
192 
193         ProcessManager::wakeup(&pcb).unwrap_or_else(|e| {
194             panic!(
195                 "fork: Failed to wakeup new process, pid: [{:?}]. Error: {:?}",
196                 pcb.pid(),
197                 e
198             )
199         });
200 
201         return Ok(pcb.pid());
202     }
203 
204     fn copy_flags(
205         clone_flags: &CloneFlags,
206         new_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
207     ) -> Result<(), SystemError> {
208         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_VM) {
209             new_pcb.flags().insert(ProcessFlags::VFORK);
210         }
211         *new_pcb.flags.get_mut() = *ProcessManager::current_pcb().flags();
212         return Ok(());
213     }
214 
215     /// 拷贝进程的地址空间
216     ///
217     /// ## 参数
218     ///
219     /// - `clone_vm`: 是否与父进程共享地址空间。true表示共享
220     /// - `new_pcb`: 新进程的pcb
221     ///
222     /// ## 返回值
223     ///
224     /// - 成功:返回Ok(())
225     /// - 失败:返回Err(SystemError)
226     ///
227     /// ## Panic
228     ///
229     /// - 如果当前进程没有用户地址空间,则panic
230     #[inline(never)]
231     fn copy_mm(
232         clone_flags: &CloneFlags,
233         current_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
234         new_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
235     ) -> Result<(), SystemError> {
236         let old_address_space = current_pcb.basic().user_vm().unwrap_or_else(|| {
237             panic!(
238                 "copy_mm: Failed to get address space of current process, current pid: [{:?}]",
239                 current_pcb.pid()
240             )
241         });
242 
243         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_VM) {
244             unsafe { new_pcb.basic_mut().set_user_vm(Some(old_address_space)) };
245             return Ok(());
246         }
247         let new_address_space = old_address_space.write_irqsave().try_clone().unwrap_or_else(|e| {
248             panic!(
249                 "copy_mm: Failed to clone address space of current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
250                 current_pcb.pid(), new_pcb.pid(), e
251             )
252         });
253         unsafe { new_pcb.basic_mut().set_user_vm(Some(new_address_space)) };
254         return Ok(());
255     }
256 
257     #[inline(never)]
258     fn copy_files(
259         clone_flags: &CloneFlags,
260         current_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
261         new_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
262     ) -> Result<(), SystemError> {
263         // 如果不共享文件描述符表,则拷贝文件描述符表
264         if !clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_FILES) {
265             let new_fd_table = current_pcb.basic().fd_table().unwrap().read().clone();
266             let new_fd_table = Arc::new(RwLock::new(new_fd_table));
267             new_pcb.basic_mut().set_fd_table(Some(new_fd_table));
268         } else {
269             // 如果共享文件描述符表,则直接拷贝指针
270             new_pcb
271                 .basic_mut()
272                 .set_fd_table(current_pcb.basic().fd_table().clone());
273         }
274 
275         return Ok(());
276     }
277 
278     #[allow(dead_code)]
279     fn copy_sighand(
280         clone_flags: &CloneFlags,
281         current_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
282         new_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
283     ) -> Result<(), SystemError> {
284         // // 将信号的处理函数设置为default(除了那些被手动屏蔽的)
285         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_CLEAR_SIGHAND) {
286             flush_signal_handlers(new_pcb.clone(), false);
287         }
288 
289         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_SIGHAND) {
290             new_pcb.sig_struct_irqsave().handlers = current_pcb.sig_struct_irqsave().handlers;
291         }
292         return Ok(());
293     }
294 
295     /// 拷贝进程信息
296     ///
297     /// ## panic:
298     /// 某一步拷贝失败时会引发panic
299     /// 例如:copy_mm等失败时会触发panic
300     ///
301     /// ## 参数
302     ///
303     /// - clone_flags 标志位
304     /// - current_pcb 拷贝源pcb
305     /// - pcb 目标pcb
306     ///
307     /// ## return
308     /// - 发生错误时返回Err(SystemError)
309     #[inline(never)]
310     pub fn copy_process(
311         current_pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
312         pcb: &Arc<ProcessControlBlock>,
313         clone_args: KernelCloneArgs,
314         current_trapframe: &TrapFrame,
315     ) -> Result<(), SystemError> {
316         let clone_flags = clone_args.flags;
317         // 不允许与不同namespace的进程共享根目录
318         if (clone_flags == (CloneFlags::CLONE_NEWNS | CloneFlags::CLONE_FS))
319             || clone_flags == (CloneFlags::CLONE_NEWUSER | CloneFlags::CLONE_FS)
320         {
321             return Err(SystemError::EINVAL);
322         }
323 
324         // 线程组必须共享信号,分离线程只能在线程组内启动。
325         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_THREAD)
326             && !clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_SIGHAND)
327         {
328             return Err(SystemError::EINVAL);
329         }
330 
331         // 共享信号处理器意味着共享vm。
332         // 线程组也意味着共享vm。阻止这种情况可以简化其他代码。
333         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_SIGHAND)
334             && !clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_VM)
335         {
336             return Err(SystemError::EINVAL);
337         }
338 
339         // TODO: 处理CLONE_PARENT 与 SIGNAL_UNKILLABLE的情况
340 
341         // 如果新进程使用不同的 pid 或 namespace,
342         // 则不允许它与分叉任务共享线程组。
343         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_THREAD)
344             && clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_NEWUSER | CloneFlags::CLONE_NEWPID)
345         {
346             return Err(SystemError::EINVAL);
347             // TODO: 判断新进程与当前进程namespace是否相同,不同则返回错误
348         }
349 
350         // 如果新进程将处于不同的time namespace,
351         // 则不能让它共享vm或线程组。
352         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_THREAD | CloneFlags::CLONE_VM) {
353             // TODO: 判断time namespace,不同则返回错误
354         }
355 
356         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_PIDFD)
357             && clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_DETACHED | CloneFlags::CLONE_THREAD)
358         {
359             return Err(SystemError::EINVAL);
360         }
361 
362         // TODO: 克隆前应该锁信号处理,等待克隆完成后再处理
363 
364         // 克隆架构相关
365         let guard = current_pcb.arch_info_irqsave();
366         unsafe { pcb.arch_info().clone_from(&guard) };
367         drop(guard);
368 
369         // 为内核线程设置WorkerPrivate
370         if current_pcb.flags().contains(ProcessFlags::KTHREAD) {
371             *pcb.worker_private() =
372                 Some(WorkerPrivate::KernelThread(KernelThreadPcbPrivate::new()));
373         }
374 
375         // 设置clear_child_tid,在线程结束时将其置0以通知父进程
376         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_CHILD_CLEARTID) {
377             pcb.thread.write_irqsave().clear_child_tid = Some(clone_args.child_tid);
378         }
379 
380         // 设置child_tid,意味着子线程能够知道自己的id
381         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_CHILD_SETTID) {
382             pcb.thread.write_irqsave().set_child_tid = Some(clone_args.child_tid);
383         }
384 
385         // 将子进程/线程的id存储在用户态传进的地址中
386         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_PARENT_SETTID) {
387             let mut writer = UserBufferWriter::new(
388                 clone_args.parent_tid.data() as *mut i32,
389                 core::mem::size_of::<i32>(),
390                 true,
391             )?;
392 
393             writer.copy_one_to_user(&(pcb.pid().0 as i32), 0)?;
394         }
395 
396         sched_fork(pcb).unwrap_or_else(|e| {
397             panic!(
398                 "fork: Failed to set sched info from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
399                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
400             )
401         });
402 
403         // 拷贝标志位
404         Self::copy_flags(&clone_flags, pcb).unwrap_or_else(|e| {
405             panic!(
406                 "fork: Failed to copy flags from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
407                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
408             )
409         });
410 
411         // 拷贝用户地址空间
412         Self::copy_mm(&clone_flags, current_pcb, pcb).unwrap_or_else(|e| {
413             panic!(
414                 "fork: Failed to copy mm from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
415                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
416             )
417         });
418 
419         // 拷贝文件描述符表
420         Self::copy_files(&clone_flags, current_pcb, pcb).unwrap_or_else(|e| {
421             panic!(
422                 "fork: Failed to copy files from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
423                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
424             )
425         });
426 
427         // 拷贝信号相关数据
428         Self::copy_sighand(&clone_flags, current_pcb, pcb).unwrap_or_else(|e| {
429             panic!(
430                 "fork: Failed to copy sighand from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
431                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
432             )
433         });
434 
435         // 拷贝线程
436         Self::copy_thread(current_pcb, pcb, clone_args,current_trapframe).unwrap_or_else(|e| {
437             panic!(
438                 "fork: Failed to copy thread from current process, current pid: [{:?}], new pid: [{:?}]. Error: {:?}",
439                 current_pcb.pid(), pcb.pid(), e
440             )
441         });
442 
443         // 设置线程组id、组长
444         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_THREAD) {
445             pcb.thread.write_irqsave().group_leader =
446                 current_pcb.thread.read_irqsave().group_leader.clone();
447             unsafe {
448                 let ptr = pcb.as_ref() as *const ProcessControlBlock as *mut ProcessControlBlock;
449                 (*ptr).tgid = current_pcb.tgid;
450             }
451         } else {
452             pcb.thread.write_irqsave().group_leader = Arc::downgrade(pcb);
453             unsafe {
454                 let ptr = pcb.as_ref() as *const ProcessControlBlock as *mut ProcessControlBlock;
455                 (*ptr).tgid = pcb.tgid;
456             }
457         }
458 
459         // CLONE_PARENT re-uses the old parent
460         if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_PARENT | CloneFlags::CLONE_THREAD) {
461             *pcb.real_parent_pcb.write_irqsave() =
462                 current_pcb.real_parent_pcb.read_irqsave().clone();
463 
464             if clone_flags.contains(CloneFlags::CLONE_THREAD) {
465                 pcb.exit_signal.store(Signal::INVALID, Ordering::SeqCst);
466             } else {
467                 let leader = current_pcb.thread.read_irqsave().group_leader();
468                 if unlikely(leader.is_none()) {
469                     panic!(
470                         "fork: Failed to get leader of current process, current pid: [{:?}]",
471                         current_pcb.pid()
472                     );
473                 }
474 
475                 pcb.exit_signal.store(
476                     leader.unwrap().exit_signal.load(Ordering::SeqCst),
477                     Ordering::SeqCst,
478                 );
479             }
480         } else {
481             // 新创建的进程,设置其父进程为当前进程
482             *pcb.real_parent_pcb.write_irqsave() = Arc::downgrade(current_pcb);
483             pcb.exit_signal
484                 .store(clone_args.exit_signal, Ordering::SeqCst);
485         }
486 
487         // todo: 增加线程组相关的逻辑。 参考 https://code.dragonos.org.cn/xref/linux-6.1.9/kernel/fork.c#2437
488 
489         sched_cgroup_fork(pcb);
490 
491         Ok(())
492     }
493 }
494