Runqueue的添加进程，切换进程，退出进程完整过程

一、添加进程

一、进程状态确认

首先，系统需要确认进程的状态。在Linux中，进程有多种状态，如TASK_RUNNING（运行中）、TASK_INTERRUPTIBLE（可中断等待）、TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断等待）等。只有状态为TASK_RUNNING的进程才会被添加到runqueue中。

二、选择目标runqueue

1. 负载均衡考虑：为了系统负载的均衡，Linux内核在选择将进程添加到哪个runqueue时会考虑当前各个CPU的负载情况。如果某个CPU的负载较轻，那么新进程更有可能被添加到该CPU的runqueue中。

2. 优先级匹配：除了负载均衡外，内核还会考虑进程的优先级。每个runqueue都维护了多个优先级队列，内核会根据进程的优先级将其添加到相应的队列中。

三、添加进程至活动队列

1. 分配task_struct：每个进程在内核中都有一个对应的task_struct结构体，它包含了进程的各种信息，如状态、优先级、调度信息等。在将进程添加到runqueue之前，系统会为其分配一个task_struct结构体。

2. 链接至活动队列：进程通过其task_struct结构体中的run_list成员链接到runqueue的活动队列中。活动队列维护了正在运行且时间片还没有结束的进程。

四、更新调度信息

1. 更新bitmap：runqueue中的每个优先级队列都有一个对应的bitmap数组，用于快速判断该队列是否为空。当进程被添加到某个优先级队列时，系统会更新对应的bitmap数组，以反映队列的非空状态。

2. 调整调度算法：Linux内核采用了多种调度算法，如O(1)调度算法等。在将进程添加到runqueue后，系统会根据当前的调度算法和进程的优先级等信息，调整调度策略，以确保系统的高效运行。

五、等待调度

1. 等待CPU时间片：一旦进程被添加到runqueue的活动队列中，它就会等待CPU的调度。当CPU空闲或当前运行的进程时间片耗尽时，调度器会从活动队列中选择一个优先级最高的进程来运行。

2. 状态切换：当进程被调度运行时，其状态会从TASK_RUNNING（或其他等待状态）切换为实际运行状态，并开始在CPU上执行。

六、时间片耗尽与队列切换

1. 时间片耗尽：如果进程的时间片耗尽而还没有完成执行，那么它会被从活动队列中移出，并添加到过期队列中。过期队列中的进程已经耗尽了它们的时间片，等待下次被调度。

2. 队列切换：当活动队列中的所有进程都被调度完后，系统会交换活动队列和过期队列的指针，使原来的过期队列成为新的活动队列，并继续调度其中的进程。

二、进程切换

在Linux系统中，由于CPU资源有限，而进程数量众多，因此需要通过调度算法来合理地分配CPU时间给各个进程。runqueue就是这样一个用于管理和调度可运行进程的队列。当进程的时间片用完或遇到其他需要调度的条件时，就会发生进程切换。

一、进程切换的具体流程

1. 触发调度：

• 当进程的时间片用完、进程被阻塞、新进程被创建或唤醒，以及系统负载均衡等情况下，会触发调度器进行进程切换。

2. 选择下一个进程：

• 调度器会根据进程的优先级、调度策略（如CFS完全公平调度算法、RT实时调度算法等）以及当前系统的负载情况，从runqueue中选择一个合适的进程来运行。

3. 保存当前进程的状态：

• 在切换进程之前，系统会保存当前进程的状态，包括CPU寄存器中的值、进程的内存地址空间等。这些信息会被保存在进程的task_struct结构体中的相应字段里。

4. 更新调度信息：

• 系统会更新runqueue中的相关调度信息，如bitmap数组，以反映当前各个优先级队列的状态。

5. 切换进程上下文：

• 进程上下文切换是进程切换的核心步骤。它涉及两个主要部分：进程地址空间切换和处理器状态切换。

• 进程地址空间切换：将下一个进程的虚拟地址空间转换为物理地址空间，并设置到CPU的页表基址寄存器中。这样，当进程访问用户空间地址时，MMU（内存管理单元）会通过这个寄存器来遍历页表，获得物理地址。

• 处理器状态切换：保存当前进程的处理器状态（如寄存器值、程序计数器PC等），并恢复下一个进程的处理器状态。这包括将下一个进程的task_struct地址存放在特定的寄存器中，以便通过current宏找到当前进程。

6. 开始执行下一个进程：

• 完成上下文切换后，CPU开始执行下一个进程。此时，该进程成为当前进程，并继续其之前的执行或开始新的执行。

二、进程切换的注意事项

1. 效率：进程切换是一个开销较大的操作，因为它涉及大量的上下文保存和恢复工作。因此，系统需要尽量减少不必要的进程切换，以提高整体性能。

2. 公平性：调度器需要确保所有进程都能公平地获得CPU时间，避免某些进程长时间占用CPU而其他进程得不到执行。

3. 实时性：对于实时系统来说，进程切换的延迟需要尽可能小，以满足实时任务的时间要求。

进程在Linux内核的runqueue（运行队列）中的退出流程是一个涉及多个步骤和组件的过程。以下是对该流程的具体描述：

三、进程退出

一、进程退出的触发条件

进程退出可以由多种情况触发，包括但不限于：

1. 进程正常结束：进程完成了其执行的任务，通过调用exit()函数或从main函数返回等方式正常退出。

2. 进程异常终止：进程由于接收到终止信号（如SIGKILL、SIGTERM等）而异常退出。

3. 进程被父进程回收：在父进程调用wait()或waitpid()等系统调用时，子进程结束运行并被父进程回收。

二、进程退出时的资源释放

在进程退出之前，系统会释放该进程所占用的系统资源，这包括：

1. 关闭文件描述符：释放进程打开的文件资源，确保文件句柄被正确关闭。

2. 释放内存：回收进程申请的内存空间，包括堆内存、栈内存以及数据段等。

3. 其他资源：如信号量、消息队列、管道等进程间通信资源也会被释放。

三、进程从runqueue中移除

当进程准备退出时，它需要从runqueue中被移除。这通常涉及以下步骤：

1. 更新runqueue状态：将进程从runqueue的活动队列（如果它在那里）或过期队列（如果它因为时间片耗尽而被移动到这里）中移除。

2. 调整调度器状态：由于进程的退出，调度器可能需要调整其内部状态，如更新优先级队列的bitmap数组等。

四、进程退出后的处理

进程退出后，系统还需要进行一些后续处理，包括：

1. 更新进程状态：将进程的状态设置为TASK_DEAD（或类似的表示进程已死的状态）。

2. 通知父进程：如果进程是子进程，系统会向其父进程发送SIGCHLD信号，通知父进程子进程已结束。

3. 回收进程资源：最终，系统会回收进程的所有资源，并将其从系统中完全移除。这包括释放task_struct结构体等内核数据结构所占用的内存。

五、特殊情况的处理

在多线程环境中，进程的退出还涉及线程的管理。如果进程中的某个线程调用exit()函数退出，整个进程（线程组）都会退出。此时，系统会向进程中的其他线程发送终止信号，并尝试唤醒它们以处理信号并退出。如果线程在不可中断的等待状态（如等待I/O操作完成），则可能需要等待该状态结束后才能退出。