【av68676164（p15-p17)】进程概念

from av68676164

4.1.1 进程的基本概念

程序运行在并发环境中的问题

• 运行过程不确定
• 结果不可再现（程序运行被干扰）

解决方案：对运行过程施加约束

新的概念：进程

• 描述和管理程序的“运行过程”——进程

进程定义：

• 程序在某个数据集合上的一次运行活动
• 数据集合：软/硬件环境，多个程序共存/共享的环境

进程的特征：

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，动态产生/小王
• 并发性：进程同其他进程一起向前推进
• 异步性：进程按各自速度向前推进
• 独立性：进程是系统分配资源和调度CPU的单位

进程与程序的区别：

• 动态和静态
  • 进程是动态的：程序的一次执行过程
  • 程序的静态的：一组指令的有序集合
• 暂存和长存
  • 进程是暂存的：在内存驻留
  • 程序是长存的：在介质里长期保存
• 程序和进程的对应：一个程序可能有多个进程

进程的类型：

• 按使用资源的权限
  • 系统进程：指系统内核相关的进程
  • 用户进程：运行于用户态的进程
• 按对CPU的依赖性
  • 偏CPU进程：计算型进程
  • 偏I/O进程：侧重于I/O的进程
• 其他标准……

4.1.2 进程的状态

进程的状态

1. 运行状态（Running）
   • 进程已经占有CPU，在CPU上运行。
2. 就绪状态（Ready）
   • 具备运行条件但由于无CPU，但是不能运行
3. 阻塞状态（Block）/等待状态（Wait）
   • 因为等待某项服务完成或信号不能运行的状态
   • 如等待：系统调用，I/O操作，合作进程信号

进程状态的变迁

进程的状态可以依据一定的条件相互转化

graph LR
运行-->|1|就绪
就绪-->|2|运行
运行-->|3|阻塞
阻塞-->|4|就绪

1. 就绪-->运行：进程调度
2. 运行-->就绪：时间片到；被抢占
3. 运行-->阻塞：请求服务；等待信号
4. 阻塞-->就绪：服务完成；信号来到

具有新建（new）和终止（terminate）状态的进程状态

graph LR
新建状态-->|提交|就绪状态
就绪状态-->|进程调度|运行状态
运行状态-->|时间片到|就绪状态
运行状态-->|退出|终止状态
运行状态-->|等待I/O或事件|阻塞状态
阻塞状态-->|I/O或事件完成|就绪状态

Linux进程的状态：

linux中状态变迁的过程

graph TB
fork-->TASK_RUNNING_就绪
TASK_RUNNING_就绪-->|时间片耗尽|占有CPU执行
占有CPU执行-->TASK_RUNNING_就绪
占有CPU执行-->|ptrace|TASK_STOPPED_挂起
占有CPU执行-->|do_exit|TASK_ZOMBIE_僵死
占有CPU执行-->|等待资源|TASK_UNINTERRUPTABLE_深度阻塞
TASK_UNINTERRUPTABLE_深度阻塞-->|资源到位|TASK_RUNNING_就绪
TASK_INTERRUPTABLE_浅度阻塞-->|资源到位或收到信号|TASK_RUNNING_就绪
占有CPU执行-->|等待资源到位|TASK_INTERRUPTABLE_浅度阻塞
TASK_STOPPED_挂起-->|收到信号|TASK_RUNNING_就绪

1. 可运行态：
   • 就绪：TASK RUNNING：在就绪队列中等待调度
   • 运行：正在运行
2. 阻塞（等待态）
   • 浅度阻塞：TASK_INTERRUPTIBLE（可中断）：
     • 能被其他进程的信号或始终唤醒
   • 深度阻塞：TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断）
     • 不能被其他进程通过信号和始终唤醒
3. 僵死态：TASK_ZOMBIE
   • 进程中止执行，释放大部分资源
4. 挂起态：TASK_STOPPED
   • 进程被挂起

4.1.3 进程控制快

进程控制快（Process Control Block，PCB）

• 描述进程状态、资源和相关进程关系的数据结构
• PCB是进程的标志
• 创建进程是创建PCB，进程撤销后PCB同时撤销

进程=程序+PCB

PCB中的基本成员

• name（ID）：进程名称（标识符）
• status：状态
• next：指向下一个PCB的指针
• Start_addr：程序地址
• priority：优先级
• cpu_status：现场保留区（堆栈）
• Comm_info：进程通信
• Process_family：家族
• Own_resource：资源

Linux的进程控制块

struct task_struct {
    //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
    volatile long state;
    //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
    unsigned long flags;
    //进程上是否有待处理的信号
    int sigpending;
    //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
    mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead
        //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread

    //调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
    volatile long need_resched;
    //锁深度
    int lock_depth;
    //进程的基本时间片
    long nice;      

    //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
    unsigned long policy;
    //进程内存管理信息
    struct mm_struct *mm;

    int processor;
    //若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
    unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
    //指向运行队列的指针
    struct list_head run_list;
    //进程的睡眠时间
    unsigned long sleep_time; 

    //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
    struct task_struct *next_task, *prev_task;
    struct mm_struct *active_mm;
    struct list_head local_pages;       //指向本地页面
    unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
    struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
    int exit_code, exit_signal;
    int pdeath_signal;     //父进程终止是向子进程发送的信号
    unsigned long personality;
    //Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
    int did_exec:1;
    pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
    pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
    pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
    pid_t session;  //进程的会话标识
    pid_t tgid;
    int leader;     //表示进程是否为会话主管
    struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
    struct list_head thread_group;   //线程链表
    struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
    struct task_struct **pidhash_pprev;
    wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
    struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
    unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
    //it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value

    //设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据

    //it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。

    //当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送

    //信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
    //it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种

    //状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据

    //it_virt_incr重置初值。

    unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
    unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
    struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
    struct tms times;      //记录进程消耗的时间
    unsigned long start_time;  //进程创建的时间

    //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
    long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
    //内存缺页和交换信息:

    //min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换

    //设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
    //cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。

    //在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
    unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
    int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
    //进程认证信息
    //uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid

    //euid，egid为有效uid,gid
    //fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件

    //系统的访问权限时使用他们。
    //suid，sgid为备份uid,gid
    uid_t uid,euid,suid,fsuid;
    gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
    int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
    gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组

    //进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
    kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;

    int keep_capabilities:1;
    struct user_struct *user;
    struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
    unsigned short used_math;   //是否使用FPU
    char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
    //文件系统信息
    int link_count, total_link_count;

    //NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
    struct tty_struct *tty;
    unsigned int locks;
    //进程间通信信息
    struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
    struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
    //进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
    struct thread_struct thread;
    //文件系统信息
    struct fs_struct *fs;
    //打开文件信息
    struct files_struct *files;
    //信号处理函数
    spinlock_t sigmask_lock;
    struct signal_struct *sig; //信号处理函数
    sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
    struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
    unsigned long sas_ss_sp;
    size_t sas_ss_size;
    int (*notifier)(void *priv);
    void *notifier_data;
    sigset_t *notifier_mask;
    u32 parent_exec_id;
    u32 self_exec_id;

    spinlock_t alloc_lock;
    void *journal_info;
 };

进程的切换：

• 进程的上下文
  • Context，进程运行环境，CPU环境
• 进程的切换过程：
  • 换入进程的上下文进入CPU（从栈上来）
  • 还出进程的上下文离开CPU（到栈上去）