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Linux的进程线程及调度

本文为宋宝华《Linux的进程、线程以及调度》学习笔记。

1 进程概念

1.1 进程与线程的定义

操作系统中的经典定义：
进程：资源分配单位。
线程：调度单位。
操作系统中用PCB(Process Control Block, 进程控制块)来描述进程。Linux中的PCB是task_struct结构体。

1.2 进程生命周期

1.2.1 进程状态

R, TASK_RUNNING：就绪态或者运行态，进程就绪可以运行，但是不一定正在占有CPU
S, TASK_INTERRUPTIBLE：浅度睡眠，等待资源，可以响应信号，一般是进程主动sleep进入的状态
D, TASK_UNINTERRUPTIBLE：深度睡眠，等待资源，不响应信号，典型场景是进程获取信号量阻塞
Z, TASK_ZOMBIE：僵尸态，进程已退出或者结束，但是父进程还不知道，没有回收时的状态
T, TASK_STOPED：停止，调试状态，收到SIGSTOP信号进程挂起

1.2.2 进程创建与消亡相关API

1） system()
通过调用shell启动一个新进程

2） exec()
以替换当前进程映像的方式启动一个新进程

3） fork()
以复制当前进程映像的方式启动一个新进程，子进程中fork()返回0，父进程fork()返回为子进程ID。

4） wait()
父进程挂起，等待子进程结束。

5） 孤儿进程与僵尸进程
孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。孤儿进程不会浪费资源。
僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。僵尸进程浪费系统资源（进程描述符task_struct存在，进程占用的资源被回收，不存在内存泄漏，实际上基本不浪费系统资源，参宋宝华的课程）。
避免僵尸进程：
僵尸进程产生原因：
1、子进程结束后向父进程发出SIGCHLD信号，父进程默认忽略了它；
2、父进程没有调用wait()或waitpid()函数来等待子进程的结束。
避免僵尸进程方法：
1、父进程调用wait()或者waitpid()等待子进程结束，这样处理父进程一般会阻塞在wait处而不能处理其他事情。
2、捕捉SIGCHLD信号，并在信号处理函数里面调用wait函数，这样处理可避免1中描述的问题。
3、fork两次，父进程创建儿子进程，儿子进程再创建一个孙子进程，然后儿子进程自杀，孙子进程成为孤儿进程被init进程收养。

1.3 进程间通信

1） 信号
信号这里指的是事件。比如按CTRL-C组合键会发送SIGINT信号，进程里可以捕捉到这个信号进行相应处理。

2） 管道PIPE
一切皆文件，管道的操作也是类似文件的操作。
popen()函数类似于fopen()函数，返回的是对象指针。
pipe()函数类似于open()函数，返回的是对象描述符。
管道是在亲属进程(同一父进程创建出的进程)之间进行数据传输的。

3） 命名管道FIFO
命名管道可用于在无亲属关系之前是进程间通信。
mkfifo()/mknod()将在文件系统中创建一个有路径和名称的文件。把这个管道文件当作普通文件用就行了，就可以实现进程间通信。

4） 信号量
信号量、消息队列、共享内存是System V IPC机制。
临界区：任何时刻只能有一个进程进行独占式访问的代码区。
信号量：大部分进程间通信只需要二进制信号号，因此这里只讨论二进制信号量。进入临界区前，执行P操作(若信号量大于1则减1并进入临界区，否则挂起本进程)；退出临界区时，执行V操作(若有进程在等待挂起则唤醒之，否则信号量加1)。
互斥量：互斥信号量是二进制信号量的一个子集。

5） 消息队列
与命令管道类似，但不必考虑打开/关闭管道的复杂操作。消息队列独立于进程而存在。

6） 共享内存
需要通信的进程间共享一块内存进行数据交换。

2 进程线程的实现本质

Linux调度器实际是识别task_struct进行调度。
无论进程线程，底层都对应一个task_struct，进程和线程的区别是共享资源的多少，两个进程间完全不共享资源，两个线程间共享所有资源。

2.1 fork()

执行fork后，父进程的task_struck对拷给子进程，父子进程最初资源完全一样，但是两份不同拷贝，因此任何改动都造成二者的分裂。

父子进程对内存资源(mm)的管理使用了COW(Copy-On-Write, 写时拷贝)技术：

1. 在fork之前，一片内存区对应一份物理地址和一份虚拟地址，内存区的权限的RW；
2. 在fork之后，父子进程看到的内存区虚拟地址相同，物理地址也相同，父子进程使用的其实是同一片物理内存，未发生内存拷贝，操作系统会将此内存区权限改为RO；
3. 父或子进程对内存区执行写操作将触发PageFault，操作系统此时会将内存区拷贝一份，父子进程看到的虚拟地址仍然一样，但是物理地址已经不则。各进程虚拟地址到物理地址的映射由MMU(Memory Management Unit, 内存管理单元)管理。

fork运行在有MMU的CPU上。

2.2 vfork()

对于无MMU的CPU，无法应用COW，无法支持fork。
无MMU的CPU使用vfork创建进程，父进程将一直阻塞直到子进程exit或exec。
vfork和fork的本质区别是，vfork中的父子进程共用同一片内存区。

2.3 pthread_create()

Linux线程本质上就是进程，只是线程间共享所有资源。如上图所示。
每个线程都有自己的task_struct，因为每个线程可被CPU调度。多线程间又共享同一进程资源。这两点刚好满足线程的定义。
Linux就是这样用进程实现了线程，所以线程又称为轻量级进程。

2.4 PID和TGID

POSIX要求，同一进程的多个线程获取进程ID是得到的是唯一ID值。

Linux同一进程的多线程，在内核视角实际上每个线程都有一个PID，但在用户空间需要getpid返回唯一值，Linux使用了一个小技巧，引入了TGID的概念，getpid()返回的的TGID值。

进程视角的top命令：

不带参数的top命令(默认情况)，显示的是进程对单核CPU的利用率，例如，一个进程内有三个线程，主线程创建了线程1和线程2，线程1和线程2都调用一个while(1)，则对双核CPU而言，线程1和线程2各用一个核，占用率都是100%，则top命令看到的进程CPU利用率是200%，进程ID是主线程的PID(也是TGID)。

线程视角的top命令：
top –H命令从线程视角显示CPU占用率，上例中，将会显示，线程1占用率100%，线程2占用率100%。
说线程的PID，是指用户空间的进程ID，值就是TGID；当特别指出，线程在内核空间的PID，则指线程在内核中task_struct里特有的PID。

3 进程调度

3.1 实时进程调度

SCHED_FIFO：不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠，优先级低的再跑；同等优先级先进先出。
SCHED_RR：不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠，优先级低的再跑；同等优先级轮转。
内核RT补丁：
/proc/sys/kernel/sched_rt_period_us
/proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us
在period的时间里RT最多只能跑runtime的时间

3.2 普通进程调度

SCHED_OTHER：

3.2.1 动态优先级（早期2.6）

进程有IO消耗性和CPU消耗型两种衡量参数。
优先级高的意味着：1) 得到更多的时间片，2) 醒时能抢占优先级低的。时间片轮转。
内核存储静态优先级，用户可通过nice来修改静态优先级。
进程的动态优先级则是根据静态优先级实时计算出来的，调度算法奖励IO消耗性（调高优先级增加实时性）、处罚CPU消耗型（调低优先级减小实时性）

3.2.2 CFS：完全公平调度（新内核）

红黑树，左边节点小于右边节点的值
运行到目前为止vruntime最小的进程
同时考虑了CPU/IO和nice
总是找vruntime最小的线程调度。
vruntime = pruntime/weight × 1024;
vruntime是虚拟运行时间，pruntime是物理运行时间，weight权重由nice值决定(nice越低权重越高)，则运行时间少、nice值低的的线程vruntime小，将得到优先调度。这是一个随运行而动态变化的过程。

工具chrt和renice：

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5

1. 设置SCHED_FIFO和50 RT优先级
2. # chrt -f -a -p 50 10576
3. 设置nice
4. # renice -n -5 -g 9394
5. # nice -n 5 ./a.out

4 多核负载均衡

略

5 参考资料

[1] 宋宝华，Linux进程、线程和调度
[2] https://blog.csdn.net/sdkdlwk/article/details/65938204
[3] https://blog.csdn.net/kklvsports/article/details/52268085
[4] https://blog.csdn.net/qq_20218109/article/details/52078076
[5] https://www.cnblogs.com/yuxingfirst/p/3165407.html