關(guān)于uclinux系統(tǒng)分析

簡介

Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與Unix系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uClinux這個(gè)英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以uClinux就是Micro-CONtrol-Linux，字面上的理解就是針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)。

uClinux小型化的做法

標(biāo)準(zhǔn)Linux可能采用的小型化方法：

1、重新編譯內(nèi)核

Linux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計(jì)，即很多功能塊可以獨(dú)立的加上或卸下，開發(fā)人員在設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項(xiàng)，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)指定。因此一種較通用的做法是對Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時(shí)仔細(xì)的選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能支持模塊，同時(shí)刪除不需要的功能。通過對內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運(yùn)行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量。

2、制作root文件系統(tǒng)映象

Linux系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)必須加載根(root)文件系統(tǒng)，因此剪裁系統(tǒng)同時(shí)包括root file system的剪裁。在x86系統(tǒng)下，Linux可以在Dos下，使用Loadlin文件加載啟動(dòng)。

uClinux采用的小型化方法：

1、uClinux的內(nèi)核加載方式

uClinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：可以在flash上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。這種做法可以減少內(nèi)存需要。

Flash運(yùn)行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映象燒寫到flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從flash的某個(gè)地址開始逐句執(zhí)行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。

內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行，這種方式相對復(fù)雜一些，但是運(yùn)行速度可能更快(ram的存取速率要比flash高)。同時(shí)這也是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)采用的啟動(dòng)方式。

2、uClinux的根(root)文件系統(tǒng)

uClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個(gè)方面，首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊(superblock)需要更少的存儲(chǔ)空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理(ram盤將采用ext2文件系統(tǒng))。

3、uClinux的應(yīng)用程序庫

uClinux小型化的另一個(gè)做法是重寫了應(yīng)用程序庫，相對于越來越大且越來越全的glibc庫，uClibc對libc做了精簡。

uClinux對用戶程序采用靜態(tài)連接的形式，這種做法會(huì)使應(yīng)用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問題，不得不這樣做(這將在下文對uClinux內(nèi)存管理展開分析時(shí)進(jìn)行說明)，同時(shí)這種做法也更接近于通常嵌入式系統(tǒng)的做法。

uClinux的開發(fā)環(huán)境

GNU開發(fā)套件

Gnu開發(fā)套件作為通用的Linux開放套件，包括一系列的開發(fā)調(diào)試工具。主要組件：

Gcc： 編譯器，可以做成交叉編譯的形式，即在宿主機(jī)上開發(fā)編譯目標(biāo)上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件。

Binutils：一些輔助工具，包括 objdump(可以反編譯二進(jìn)制文件)，as(匯編編譯器)，ld(連接器)等等。

Gdb：調(diào)試器，可使用多種交叉調(diào)試方式，gdb-bdm (背景調(diào)試工具)，gdbserver(使用以太網(wǎng)絡(luò)調(diào)試)。

uClinux的打印終端

通常情況下，uClinux的默認(rèn)終端是串口，內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)所有的信息都打印到串口終端(使用printk函數(shù)打印)，同時(shí)也可以通過串口終端與系統(tǒng)交互?！　Clinux在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)了telnetd(遠(yuǎn)程登錄服務(wù))，操作者可以遠(yuǎn)程登錄上系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)的運(yùn)行。至于是否允許遠(yuǎn)程登錄可以通過燒寫romfs文件系統(tǒng)時(shí)有用戶決定是否啟動(dòng)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)。

交叉編譯調(diào)試工具

支持一種新的處理器，必須具備一些編譯，匯編工具，使用這些工具可以形成可運(yùn)行于這種處理器的二進(jìn)制文件。對于內(nèi)核使用的編譯工具同應(yīng)用程序使用的有所不同。在解釋不同點(diǎn)之前，需要對gcc連接做一些說明：

.ld(link description)文件：ld文件是指出連接時(shí)內(nèi)存映象格式的文件。

crt0.S：應(yīng)用程序編譯連接時(shí)需要的啟動(dòng)文件，主要是初始化應(yīng)用程序棧。

pic：position independence code ，與位置無關(guān)的二進(jìn)制格式文件，在程序段中必須包括reloc段，從而使的代碼加載時(shí)可以進(jìn)行重新定位。

內(nèi)核編譯連接時(shí)，使用ucsimm.ld文件，形成可執(zhí)行文件映象，所形成的代碼段既可以使用間接尋址方式(即使用reloc段進(jìn)行尋址)，也可以使用絕對尋址方式。這樣可以給編譯器更多的優(yōu)化空間。因?yàn)閮?nèi)核可能使用絕對尋址，所以內(nèi)核加載到的內(nèi)存地址空間必須與ld文件中給定的內(nèi)存空間完全相同。

應(yīng)用程序的連接與內(nèi)核連接方式不同。應(yīng)用程序由內(nèi)核加載(可執(zhí)行文件加載器將在后面討論)，由于應(yīng)用程序的ld文件給出的內(nèi)存空間與應(yīng)用程序?qū)嶋H被加載的內(nèi)存位置可能不同，這樣在應(yīng)用程序加載的過程中需要一個(gè)重新地位的過程，即對reloc段進(jìn)行修正，使得程序進(jìn)行間接尋址時(shí)不至于出錯(cuò)。(這個(gè)問題在i386等高級(jí)處理器上方法有所不同，本文將在后面進(jìn)一步分析)。

由上述討論，至少需要兩套編譯連接工具。在討論過uClinux的內(nèi)存管理后本文將給出整個(gè)系統(tǒng)的工作流程以及系統(tǒng)在flash和ram中的空間分布。

可執(zhí)行文件格式

先對一些名詞作一些說明：

coff(common object file format)：一種通用的對象文件格式

elf(excutive linked file)：一種為Linux系統(tǒng)所采用的通用文件格式，支持動(dòng)態(tài)連接

flat：elf格式有很大的文件頭，flat文件對文件頭和一些段信息做了簡化

uClinux系統(tǒng)使用flat可執(zhí)行文件格式，gcc的編譯器不能直接形成這種文件格式，但是可以形成coff或elf格式的可執(zhí)行文件，這兩種文件需要coff2flt或elf2flt工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，形成flat文件。

當(dāng)用戶執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用時(shí)，內(nèi)核的執(zhí)行文件加載器將對flat文件進(jìn)行進(jìn)一步處理，主要是對reloc段進(jìn)行修正(可執(zhí)行文件加載器的詳見fs/binfmt_flat.c)。以下對reloc段進(jìn)一步討論。

需要reloc段的根本原因是，程序在連接時(shí)連接器所假定的程序運(yùn)行空間與實(shí)際程序加載到的內(nèi)存空間不同。假如有這樣一條指令： jsr app_STart;

這一條指令采用直接尋址，跳轉(zhuǎn)到app_start地址處執(zhí)行，連接程序?qū)⒃诰幾g完成是計(jì)算出app_start的實(shí)際地址(設(shè)若實(shí)際地址為0x10000)，這個(gè)實(shí)際地址是根據(jù)ld文件計(jì)算出來(因?yàn)檫B接器假定該程序?qū)⒈患虞d到由ld文件指明的內(nèi)存空間)。但實(shí)際上由于內(nèi)存分配的關(guān)系，操作系統(tǒng)在加載時(shí)無法保證程序?qū)磍d文件加載。這時(shí)如果程序仍然跳轉(zhuǎn)到絕對地址0x10000處執(zhí)行，通常情況這是不正確的。一個(gè)解決辦法是增加一個(gè)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)app_start的實(shí)際地址，設(shè)若使用變量addr表示這個(gè)存儲(chǔ)空間。則以上這句程序?qū)⒏臑椋?/p>

movl addr, a0;

jsr (a0);

增加的變量addr將在數(shù)據(jù)段中占用一個(gè)4字節(jié)的空間，連接器將app_start的絕對地址存儲(chǔ)到該變量。在可執(zhí)行文件加載時(shí)，可執(zhí)行文件加載器根據(jù)程序?qū)⒁虞d的內(nèi)存空間計(jì)算出app_start在內(nèi)存中的實(shí)際位置，寫入addr變量。系統(tǒng)在實(shí)際處理是不需要知道這個(gè)變量的確切存儲(chǔ)位置(也不可能知道)，系統(tǒng)只要對整個(gè)reloc段進(jìn)行處理就可以了(reloc段有標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)可以讀出來)。處理很簡單只需要對reloc段中存儲(chǔ)的值統(tǒng)一加上一個(gè)偏置(如果加載的空間比預(yù)想的要靠前，實(shí)際上是減去一個(gè)偏移量)。偏置由實(shí)際的物理地址起始值同ld文件指定的地址起始值相減計(jì)算出。

這種reloc的方式部分是由uClinux的內(nèi)存分配問題引起的，這一點(diǎn)將在uClinux內(nèi)存管理分析時(shí)說明。

針對實(shí)時(shí)性的解決方案

uClinux本身并沒有關(guān)注實(shí)時(shí)問題，它并不是為了Linux的實(shí)時(shí)性而提出的。另外有一種Linux--Rt-linux關(guān)注實(shí)時(shí)問題。Rt-linux執(zhí)行管理器把普通 Linux 的內(nèi)核當(dāng)成一個(gè)任務(wù)運(yùn)行，同時(shí)還管理了實(shí)時(shí)進(jìn)程。而非實(shí)時(shí)進(jìn)程則交給普通Linux內(nèi)核處理。這種方法已經(jīng)應(yīng)用于很多的操作系統(tǒng)用于增強(qiáng)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，包括一些商用版UNIX系統(tǒng)，Windows NT等等。這種方法優(yōu)點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)簡單，且實(shí)時(shí)性能容易檢驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)之二是由于非實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)，同其它Linux商用版本之間保持了很大的兼容性。優(yōu)點(diǎn)之三是可以支持硬實(shí)時(shí)時(shí)鐘的應(yīng)用。uClinux可以使用Rt-linux的patch，從而增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性，使得uClinux可以應(yīng)用于工業(yè)控制、進(jìn)程控制等一些實(shí)時(shí)要求較高的應(yīng)用。

uClinux的內(nèi)存管理

應(yīng)該說uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，同時(shí)也由于uClinux的內(nèi)存管理引發(fā)了一些標(biāo)準(zhǔn)Linux所不會(huì)出現(xiàn)的問題。本文將把uClinux內(nèi)存管理同標(biāo)準(zhǔn)Linux的那內(nèi)存管理部分進(jìn)行比較分析。

1、標(biāo)準(zhǔn)Linux使用的虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)Linux使用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，這種技術(shù)用于提供比計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際使用的物理內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。使用者將感覺到好像程序可以使用非常大的內(nèi)存空間，從而使得編程人員在寫程序時(shí)不用考慮計(jì)算機(jī)中的物理內(nèi)存的實(shí)際容量。

為了支持虛擬存儲(chǔ)管理器的管理，Linux系統(tǒng)采用分頁(paging)的方式來載入進(jìn)程。所謂分頁既是把實(shí)際的存儲(chǔ)器分割為相同大小的段，例如每個(gè)段1024個(gè)字節(jié)，這樣1024個(gè)字節(jié)大小的段便稱為一個(gè)頁面(page)。

虛擬存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)器管理機(jī)制及一個(gè)大容量的快速硬盤存儲(chǔ)器支持。它的實(shí)現(xiàn)基于局部性原理，當(dāng)一個(gè)程序在運(yùn)行之前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，而是僅將那些當(dāng)前要運(yùn)行的那些部分頁面或段裝入內(nèi)存運(yùn)行(copy-on-write)，其余暫時(shí)留在硬盤上程序運(yùn)行時(shí)如果它所要訪問的頁(段)已存在，則程序繼續(xù)運(yùn)行，如果發(fā)現(xiàn)不存在的頁(段)，操作系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)頁錯(cuò)誤(pagefault)，這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致操作系統(tǒng)把需要運(yùn)行的部分加載到內(nèi)存中。必要時(shí)操作系統(tǒng)還可以把不需要的內(nèi)存頁(段)交換到磁盤上。利用這樣的方式管理存儲(chǔ)器，便可把一個(gè)進(jìn)程所需要用到的存儲(chǔ)器以化整為零的方式，視需求分批載入，而核心程序則憑借屬于每個(gè)頁面的頁碼來完成尋址各個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)段的工作。

標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對有內(nèi)存管理單元的處理器設(shè)計(jì)的。在這種處理器上，虛擬地址被送到內(nèi)存管理單元(MMU)，把虛擬地址映射為物理地址。

通過賦予每個(gè)任務(wù)不同的虛擬--物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。地址轉(zhuǎn)換函數(shù)在每一個(gè)任務(wù)中定義，在一個(gè)任務(wù)中的虛擬地址空間映射到物理內(nèi)存的一個(gè)部分，而另一個(gè)任務(wù)的虛擬地址空間映射到物理存儲(chǔ)器中的另外區(qū)域。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)管理單元(MMU)一般有一組寄存器來標(biāo)識(shí)當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程的轉(zhuǎn)換表。在當(dāng)前進(jìn)程將CPU放棄給另一個(gè)進(jìn)程時(shí)(一次上下文切換)，內(nèi)核通過指向新進(jìn)程地址轉(zhuǎn)換表的指針加載這些寄存器。MMU寄存器是有特權(quán)的，只能在內(nèi)核態(tài)才能訪問。這就保證了一個(gè)進(jìn)程只能訪問自己用戶空間內(nèi)的地址，而不會(huì)訪問和修改其它進(jìn)程的空間。當(dāng)可執(zhí)行文件被加載時(shí)，加載器根據(jù)缺省的ld文件，把程序加載到虛擬內(nèi)存的一個(gè)空間，因?yàn)檫@個(gè)原因?qū)嶋H上很多程序的虛擬地址空間是相同的，但是由于轉(zhuǎn)換函數(shù)不同，所以實(shí)際所處的內(nèi)存區(qū)域也不同。而對于多進(jìn)程管理當(dāng)處理器進(jìn)行進(jìn)程切換并執(zhí)行一個(gè)新任務(wù)時(shí)，一個(gè)重要部分就是為新任務(wù)切換任務(wù)轉(zhuǎn)換表。我們可以看到Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理至少實(shí)現(xiàn)了以下功能：

運(yùn)行比內(nèi)存還要大的程序。理想情況下應(yīng)該可以運(yùn)行任意大小的程序：

可以運(yùn)行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動(dòng)的時(shí)間

可以使多個(gè)程序同時(shí)駐留在內(nèi)存中提高CPU的利用率

可以運(yùn)行重定位程序。即程序可以方于內(nèi)存中的任何一處，而且可以在執(zhí)行過程中移動(dòng)。

寫機(jī)器無關(guān)的代碼。程序不必事先約定機(jī)器的配置情況。

減輕程序員分配和管理內(nèi)存資源的負(fù)擔(dān)。

可以進(jìn)行共享--例如，如果兩個(gè)進(jìn)程運(yùn)行同一個(gè)程序，它們應(yīng)該可以共享程序代碼的同一個(gè)副本。

提供內(nèi)存保護(hù)，進(jìn)程不能以非授權(quán)方式訪問或修改頁面，內(nèi)核保護(hù)單個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)和代碼以防止其它進(jìn)程修改它們。否則，用戶程序可能會(huì)偶然(或惡意)的破壞內(nèi)核或其它用戶程序。

虛存系統(tǒng)并不是沒有代價(jià)的。 內(nèi)存管理需要地址轉(zhuǎn)換表和其他一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，留給程序的內(nèi)存減少了。地址轉(zhuǎn)換增加了每一條指令的執(zhí)行時(shí)間，而對于有額外內(nèi)存操作的指令會(huì)更嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)程訪問不在內(nèi)存的頁面時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生失效。系統(tǒng)處理該失效，并將頁面加載到內(nèi)存中，這需要極耗時(shí)間的磁盤I/O操作?？傊畠?nèi)存管理活動(dòng)占用了相當(dāng)一部分cpu時(shí)間(在較忙的系統(tǒng)中大約占10%)。

2、uClinux針對NOMMU的特殊處理

對于uClinux來說，其設(shè)計(jì)針對沒有MMU的處理器，即uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)(應(yīng)該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當(dāng)普偏)。uClinux仍然采用存儲(chǔ)器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁。在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實(shí)際上uClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略(real memeory management)。這一點(diǎn)影響了系統(tǒng)工作的很多方面。

uClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，(它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出)，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)(這實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn))，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間(沒有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表)。

一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前， 系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間中。與之相對應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)沒有必要保證實(shí)際物理存儲(chǔ)空間是連續(xù)的，而只要保證虛存地址空間連續(xù)就可以了。另外一個(gè)方面程序加載地址與預(yù)期(ld文件中指出的)通常都不相同，這樣relocation過程就是必須的。此外磁盤交換空間也是無法使用的，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)如果缺少內(nèi)存將無法通過磁盤交換來得到改善。

uClinux對內(nèi)存的管理減少同時(shí)就給開發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點(diǎn)來說，uClinux的內(nèi)存管理是一種倒退，退回了到了Unix早期或是Dos系統(tǒng)時(shí)代。開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少的內(nèi)存(假如你欺騙了系統(tǒng)，那將在后面運(yùn)行程序時(shí)受到懲罰)，從而系統(tǒng)將在啟動(dòng)的初始化階段對內(nèi)存進(jìn)行分頁，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運(yùn)行應(yīng)用時(shí)使用這些分頁內(nèi)存。

由于應(yīng)用程序加載時(shí)必須分配連續(xù)的地址空間，而針對不同硬件平臺(tái)的可一次成塊(連續(xù)地址)分配內(nèi)存大小限制是不同(目前針對ez328處理器的uClinux是128k，而針對coldfire處理器的系統(tǒng)內(nèi)存則無此限制)，所以開發(fā)人員在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。另外由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其它用戶程序在一個(gè)地址空間，程序開發(fā)時(shí)要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌绦虻倪\(yùn)行異常。

從內(nèi)存的訪問角度來看，開發(fā)人員的權(quán)利增大了(開發(fā)人員在編程時(shí)可以訪問任意的地址空間)，但與此同時(shí)系統(tǒng)的安全性也大為下降。此外，系統(tǒng)對多進(jìn)程的管理將有很大的變化，這一點(diǎn)將在uClinux的多進(jìn)程管理中說明。

雖然uClinux的內(nèi)存管理與標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)相比功能相差很多，但應(yīng)該說這是嵌入式設(shè)備的選擇。在嵌入式設(shè)備中，由于成本等敏感因素的影響，普偏的采用不帶有MMU的處理器，這決定了系統(tǒng)沒有足夠的硬件支持實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)。從嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能來看，嵌入式設(shè)備通常在某一特定的環(huán)境下運(yùn)行，只要實(shí)現(xiàn)特定的功能，其功能相對簡單，內(nèi)存管理的要求完全可以由開發(fā)人員考慮。

3、標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的進(jìn)程、線程

進(jìn)程：進(jìn)程是一個(gè)運(yùn)行程序并為其提供執(zhí)行環(huán)境的實(shí)體，它包括一個(gè)地址空間和至少一個(gè)控制點(diǎn)，進(jìn)程在這個(gè)地址空間上執(zhí)行單一指令序列。進(jìn)程地址空間包括可以訪問或引用的內(nèi)存單元的集合，進(jìn)程控制點(diǎn)通過一個(gè)一般稱為程序計(jì)數(shù)器(program counter,PC)的硬件寄存器控制和跟蹤進(jìn)程指令序列。

fork：由于進(jìn)程為執(zhí)行程序的環(huán)境，因此在執(zhí)行程序前必須先建立這個(gè)能跑程序的環(huán)境。Linux系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用拷貝現(xiàn)行進(jìn)程的內(nèi)容，以產(chǎn)生新的進(jìn)程，調(diào)用fork的進(jìn)程稱為父進(jìn)程;而所產(chǎn)生的新進(jìn)程則稱為子進(jìn)程。子進(jìn)程會(huì)承襲父進(jìn)程的一切特性，但是它有自己的數(shù)據(jù)段，也就是說，盡管子進(jìn)程改變了所屬的變量，卻不會(huì)影響到父進(jìn)程的變量值。

父進(jìn)程和子進(jìn)程共享一個(gè)程序段，但是各自擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)段、用戶空間以及進(jìn)程控制塊。換言之，兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行的程序代碼是一樣的，但是各有各的程序計(jì)數(shù)器與自己的私人數(shù)據(jù)。

當(dāng)內(nèi)核收到fork請求時(shí)，它會(huì)先查核三件事：首先檢查存儲(chǔ)器是不是足夠;其次是進(jìn)程表是否仍有空缺;最后則是看看用戶是否建立了太多的子進(jìn)程。如果上述說三個(gè)條件滿足，那么操作系統(tǒng)會(huì)給子進(jìn)程一個(gè)進(jìn)程識(shí)別碼，并且設(shè)定cpu時(shí)間，接著設(shè)定與父進(jìn)程共享的段，同時(shí)將父進(jìn)程的inode拷貝一份給子進(jìn)程運(yùn)用，最終子進(jìn)程會(huì)返回?cái)?shù)值0以表示它是子進(jìn)程，至于父進(jìn)程，它可能等待子進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)束，或與子進(jìn)程各做個(gè)的。

exec系統(tǒng)調(diào)用：該系統(tǒng)調(diào)用提供一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行另一個(gè)進(jìn)程的能力，exec系統(tǒng)調(diào)用是采用覆蓋舊有進(jìn)程存儲(chǔ)器內(nèi)容的方式，所以原來程序的堆棧、數(shù)據(jù)段與程序段都會(huì)被修改，只有用戶區(qū)維持不變。

vfork系統(tǒng)調(diào)用：由于在使用fork時(shí)，內(nèi)核會(huì)將父進(jìn)程拷貝一份給子進(jìn)程，但是這樣的做法相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的情形都是程序在調(diào)用fork后就立即調(diào)用exec，這樣剛拷貝來的進(jìn)程區(qū)域又立即被新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。因此Linux系統(tǒng)提供一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用vfork，vfork假定系統(tǒng)在調(diào)用完成vfork后會(huì)馬上執(zhí)行exec，因此vfork不拷貝父進(jìn)程的頁面，只是初始化私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)備足夠的分頁表。這樣實(shí)際在vfork調(diào)用完成后父子進(jìn)程事實(shí)上共享同一塊存儲(chǔ)器(在子進(jìn)程調(diào)用exec或是exit之前)，因此子進(jìn)程可以更改父進(jìn)程的數(shù)據(jù)及堆棧信息，因此vfork系統(tǒng)調(diào)用完成后，父進(jìn)程進(jìn)入睡眠，直到子進(jìn)程執(zhí)行exec。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exec時(shí)，由于exec要使用被執(zhí)行程序的數(shù)據(jù)，代碼覆蓋子進(jìn)程的存儲(chǔ)區(qū)域，這樣將產(chǎn)生寫保護(hù)錯(cuò)誤(do_wp_page)(這個(gè)時(shí)候子進(jìn)程寫的實(shí)際上是父進(jìn)程的存儲(chǔ)區(qū)域)，這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致內(nèi)核為子進(jìn)程重新分配存儲(chǔ)空間。當(dāng)子進(jìn)程正確開始執(zhí)行后，將喚醒父進(jìn)程，使得父進(jìn)程繼續(xù)往后執(zhí)行。

4、uClinux的多進(jìn)程處理

uClinux沒有mmu管理存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程時(shí)(fork調(diào)用生成子進(jìn)程)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。

uClinux的fork和vfork：uClinux的fork等于vfork。實(shí)際上uClinux的多進(jìn)程管理通過vfork來實(shí)現(xiàn)。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完程后，要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行(此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep)直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出，要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)過程也不能避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒，父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

uClinux的這種多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)機(jī)制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對nommu處理器開發(fā)，所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式，啟動(dòng)新的應(yīng)用程序時(shí)系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲(chǔ)空間，并立即把應(yīng)用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機(jī)制，uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時(shí)能夠直接使用物理內(nèi)存。