Linux内核设计——（一）进程管理

一、进程及线程简介

二、进程描述符

[2.1 进程描述符简介](#2.1 进程描述符简介)

[2.2 分配进程描述符](#2.2 分配进程描述符)

[2.3 进程标识值](#2.3 进程标识值)

[2.4 进程状态](#2.4 进程状态)

[2.5 进程上下文](#2.5 进程上下文)

三、进程创建

[3.1 写时拷贝](#3.1 写时拷贝)

[3.2 fork()和vfork()](#3.2 fork()和vfork())

四、线程

[4.1 Linux线程实现](#4.1 Linux线程实现)

[4.2 内核线程](#4.2 内核线程)

五、进程终结

[5.1 删除进程描述符](#5.1 删除进程描述符)

[5.2 孤儿进程](#5.2 孤儿进程)

一、进程及线程简介

进程，即处于执行期的程序，是正在执行的程序代码的实时结果。

此时，除了可执行程序代码（代码段，text section），通常还包含其他资源，如：打开的文件、挂起的信号和存放全局变量的数据段等。

线程，即在进程中活动的对象。

每个线程都有一个独立的程序计数器、进程栈和一组进程寄存器。内核调度的对象是线程而非进程。

Linux内核中，对线程的实现与进程并不特别区分，可以将线程理解为特殊的进程。

二、进程描述符

2.1 进程描述符简介

内核将存放进程的列表称------任务队列 。它是双向循环链表，链表的每项（进程）类型为tsak_struct，称------进程描述符，该数据结构定义在<linux/sched.h>，包含着一个进程的所有数据信息。

2.2 分配进程描述符

Linux通过slab分配器动态分配进程描述符结构，以达对象复用和缓存着色的目的。因此只需在进程内核栈底（于向下增长的栈而言）或栈顶（于向上增长的栈而言）创建一个新的结构struct thread_info，该结构定义在<asm/thread_info.h>。

2.3 进程标识值

内核通过唯一**进程标识值（PID）**以标识每个进程。

PID是一个数值，表示为pid_t隐含类型，实际即int类型。

PID的最大值默认设置为32768（short int最大值），内核把每个进程的PID放在它们各自的进程描述符中。该最大值表示着系统中允许同时存在的进程最大数目，该值越大就代表系统跑一圈越慢，但如果需要可以由系统管理员通过修改/proc/sys/kernel/pid_max以修改上限。

2.4 进程状态

进程描述符里的state域描述了进程的五种状态：

|----------------------------|---------------------------------------|
| state | 描述 |
| TASK_RUNNING（运行） | 进程正在执行，或者在运行队列中等待执行。 |
| TASK_INTERRUPTIBLE（可中断） | 进程正在睡眠，或者阻塞以等待某些条件达成。若条件达成则切换为运行。 |
| TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断） | 睡眠，但对信号不做响应。 |
| _TASK_TRACED（被其他进程跟踪的进程） | 如通过ptrace对调试程序进行跟踪。 |
| _TASK_STOPPED（进程停止执行） | 如接收到SIGSTOP等信号，或者调试期间接收到任何信号，都会进入此状态。 |

若内核经常要调整某个进程的状态，最好使用函数：

cpp 复制代码

set_task_state(task, state)；

2.5 进程上下文

可执行程序代码执行时，从一个可执行文件载入到进程的地址空间执行，该地址空间一般为用户空间。当一个进程执行了系统调用 或触发异常，则它陷入内核空间，此时，称内核处于进程上下文 中，且current宏（指向当前进程，即指向引发对内核访问的进程）有效。

系统调用和异常处理程序是对内核明确定义的接口------对内核的所有访问都必须通过这些接口。

2.6 进程家族树

Linux中所有进程都是PID为1 的init进程后代。

内核于系统启动的最后阶段启动init进程。该进程读取系统的初始化脚本并执行其他相关程序，以完成系统启动的整个过程。

系统的每个进程必有一个父进程，相对应的每个进程也可以有零或多个子进程。拥有同一个父进程的所有进程互称为兄弟进程。进程的关系存放于进程描述符中，为指向tast_struct的parent指针和children的子进程链表。

三、进程创建

3.1 写时拷贝

Linux的fork()通过写时拷贝（copy_on_write） 页实现。内核只为新生成的子进程创建虚拟空间结构，它们来复制于父进程的虚拟空间结构。但是系统并不为这些段分配物理内存，它们和父进程共享物理内存。即父子进程的虚拟地址空间是独立的，但是虚拟地址空间映射到同一片物理内存上 ，当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间------资源的复制只有在需要写入时才进行，在此之前以只读方式共享。

3.2 fork()和vfork()

fork()和vfork()都由clone()系统调用实现。

|-------------|--------|---------|
| 描述\进程创建API | fork() | vfork() |
| 地址空间 | 子拷贝父 | 子与父共享 |
| 运行顺序 | 不确定 | 保证子先 |

vfork()保证子进程先执行，因此在它调用 exec()（进程替换）或 exit()（退出进程）之后父进程才可能被调度运行，如果子进程没有调用 exec()或exit()，程序则会导致死锁。

理想情况下系统最好不调用vfork()，内核可以不实现它。

四、线程

4.1 Linux线程实现

Linux内核中，线程并没有被准备特别的调度算法或是定义特别的数据结构以表征，仅被内核视为一个与其他进程共享某些资源的进程。

每个线程都有自己的task_struct（上文称进程描述符），所以于内核而言，它像是个进程。

线程的创建和普通进程的创建类似，仅在调用clone()时需要传递一些参数标志来指明需要共享的资源（共享地址空间、文件系统资源、文件描述符和信号处理程序）：

cpp 复制代码

clone(CLONE VM | CLONE FS | CLONE FILES | CLONE SIGHAND，0);

对比fork()和vfork()的实现：

cpp 复制代码

clone(SIGCHLD，0);    //fork()
clone(CLONE | FORKCLONE | VMSIGCHLD，0)    //vfork()

clone()的参数标志定义在<linux/sched.h>

4.2 内核线程

独立运行在内核的标准进程------内核线程，与普通进程区别于它们没有独立的地址空间，即它们指向地址空间的mm指针被设置NULL。

没有用户虚拟地址空间的进程称为内核线程**，** 共享用户虚拟地址空间的进程称为用户线程。

内核线程从不切换到用户空间，其他与普通进程无二，可以被调度和抢占。

在Linux终端运行：

bash 复制代码

ps -ef

可以看到很多内核线程（带[...]即是），如flush和ksofirqd任务：

五、进程终结

5.1 删除进程描述符

当一个进程终结时，内核必须释放其所占用的资源并告知父进程。一般来说，进程的析构是由其自身调用exit()系统调用引起的。

而在exit()后，尽管进程僵死，但系统任保留其进程描述符。然后父进程获得已终结的子进程信息后，或是通知内核它并不关注子进程信息后，子进程的进程描述符才被释放。

wait()由系统调用wait4()实现，其作用为挂起调用该函数的进程，直到其中一个子进程退出，此时函数返回该子进程PID。

5.2 孤儿进程

若父进程于子进程先退出，则此时子进程称为僵尸进程 ，须为子进程寻找新的父进程，否则子进程在退出时永远僵死浪费内存，即孤儿进程 。可以为子进程在当前线程组（共享同一个用户虚拟地址空间的所有用户线程组成一个线程组）内寻找新的父进程，若不行则让init进程作为新的父进程。