Linux内核分析 读书笔记 （第三章）

第三章 进程管理

3.1 进程

1.进程：

• 进程就是处于执行期的程序。
• 进程就是正在执行的程序代码的实时结果。
• 进程是处于执行期的程序以及相关的资源的总称。
• 进程包括代码段和其他资源。

2.线程：执行线程，简称线程，是在进程中活动的对象。

• 内核调度的对象是线程而不是进程。

• Linux对线程并不特别区分，视其为特殊的进程。

3.在现代操作系统中，进程提供两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存。包含在同一个进程中的线程可以共享虚拟内存，但是每个都拥有各自的虚拟处理器。

4.几个函数

• fork()：创建新进程
• exec()：创建新的地址空间并把新的程序载入其中
• clone()：fork实际由clone实现
• exit()：退出执行
• wait4()：父进程查询子进程是否终结
• wait()、waitpid()：程序退出执行后变为僵死状态，调用这两个消灭掉。

3.2 进程描述符及任务结构

1. 内核把进程的列表存放在叫做任务队列的双向循环链表中。
2. 链表中的每一项都是进程描述符。
3. 进程描述符的类型为task_struct。

3.2.1 分配进程描述符

1. Linux通过slab分配器分配task_struct结构——能达到对象复用和缓存着色的目的。
2. slab分配器——动态生成，只需在栈底或者栈顶创建一个新的结构struct thread_info。
3. 每个任务的thread_info结构在它的内核栈的尾端分配。
4. 结构中task域中存放的是指向该任务实际task_struct的指针。

3.2.2 进程描述符的存放

1. 内核通过一个唯一的进程标识值PID来标识每个进程。

2. pid类型为pid_t，实际上就是一个int类型，最大值默认设置为32768，上限私改/proc/sys/kernel/pid_max。

3. pid存放在各自进程描述符中。

3.2.3 进程状态

进程描述符中的state域是用来描述进程当前状态的。共有五种状态，标志如下：

• TASK_RUNNING（运行）：进程是可执行的，或者正在执行，或者在运行队列中等待执行
• TASK_INTERRUPTIBLE（可中断）：进程正在睡眠/被阻塞
• TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断）：睡眠/被阻塞进程不被信号唤醒 TASK_TRACED：被其他进程跟踪的进程
• TASK_STOPPED（停止）：进程停止执行；进程没有投入运行也不能投入运行。 接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU等信号时，或者调试时收到任何信号，都可以进入这种状态。

3.2.4 设置当前进程状态

用set_task_state(task,state)函数。

3.2.5 进程上下文

程序执行系统调用或者触发异常后，会陷入内核空间，这时候内核代表进程执行，并且处于进程上下文中。
进程对内核的访问必须通过接口：系统调用和异常处理程序

3.2.6 进程家族树

1. 所有的进程都是pid为1的init进程的后代。
2. 内核在系统启动的最后阶段启动init进程。
3. 系统中的每一个进程必有一个父进程，可以拥有0个或多个子进程，拥有同一个父进程的进程叫做兄弟。
4. 这种关系存放在进程描述符中，parent指针指向父进程task_struct，children是子进程链表。

3.3 进程创建

Unix系统的进程创建方式

• fork()通过拷贝当前进程创建一个子进程
• exec()负责读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行

3.1 写时拷贝

• Linux的fork()使用写时拷贝推迟甚至免除拷贝。内核在创建新进程的时候并不复制整个地址空间，而是让父进程和子进程共享同一个拷贝；直到子进程/父进程需要写入的时候才进行拷贝
• fork的实际开销只是复制父进程的页表以及给子进程创建唯一的进程描述符

3.2 fork()

1. Linux通过clone系统调用实现fork
2. 由clone去调用do_fork()
3. 定义在<kernel/fork.c>中的do_ fork()完成创建中的大部分工作，它调用copy_process函数，然后让进程开始运行

　　最后copy_process返回的就是指向子进程的指针

3.3 vfork()

　　除了不拷贝父进程的页表项外，vfork()系统调用和fork()功能相同。子进程作为父进程的一个单独的线程在它的地址空间里运行，父进程被阻塞，直到子进程退出或执行exec()。

　　vfork()系统调用的实现是通过向clone()系统调用传递一个特殊标志来进行的：

3.4 线程在Linux中的实现

　　线程机制提供了在同一程序内共享内存地址空间运行的一组线程。在Linux系统中，线程仅仅被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。

3.4.1 创建线程

1. 线程的创建与普通进程类似，只不过在调用clone()的时候需要传递一些参数标志来指明共享的资源

2. 传递给clone()的参数标志决定了新创建进程的行为方式和父子进程之间共享的资源种类

3.4.2 内核线程

内核线程与普通进程的区别只在于内核线程没有独立的地址空间：

• 它只能通过其他内核线程创建；内核通过kthread内核进程衍生所有的内核线程
• 新创建的线程处于不可运行状态，直到wake_ up_process()明确地唤醒它

3.5 进程终结

终结进程大部分依赖于do_exit()来完成：

3.5.1 删除进程描述符

1. 该任务是和清理工作分开进行的，因为这样在进程终结之后系统仍然可以获得它的信息
2. 通过release_task()实现进程描述符的删除
3. 至此，所有资源都被释放了

3.5.2 解决孤儿进程

1. 孤儿进程：父进程在进程之前退出，就会遗留下子进程，也就是孤儿进程

2. 解决方法：在当前的线程组内给孤儿进程寻找新的父进程；否则直接以init作为其父进程

• 调用顺序：do_ exit()-->forget_ original_ parent()-->find_ new_ parent()-->ptrace_ exit_ finish()

一旦系统为进程成功地找到和设置了新的父进程，就不会再有出现驻留僵死进程的危险了。init进程会例行调用wait()来检查其子进程，清除所有与其相关的僵死进程。