linux内核学习笔记-2.进程管理

部分内容来自：Linux Kernel Development（Third Edition），Robert Love，陈莉君等译。

1.进程

　　进程是正在执行的程序代码的实时结果，包含打开的文件、挂起的信号等。线程是进程中的活动的对象，内核调度的对象是线程。在Linux内核对线程与进程并不加以区分，线程只不过是一种特殊的进程。　　

2.进程描述符

　　内核把进程的信息存放在task list的双向循环链表中，链表中的每一项都是类型为task_struct、成为进程描述符的的结构，包含一个具体进程的所有信息。Linux通过slab分配器分配task_struct结构，达到对象复用和缓存着色的目的，此时则只需要在栈顶或者栈底创建一个thread_info结构，里面保存task_struct指针。

　　内核通过一个唯一的进程标识符PID（表示为pid_t隐含类型）来标识每个进程，这个值的类型为int，为了与老版本的Unix和Linux兼容，最大值默认设置为32768（short int的最大值），该上限可以设置。

　　在内核中，访问任务通常需要获得指向task_struct的指针，通过current宏查找到当前正在运行的进程描述符的的指针（current宏只在内核空间，即内核处于进程上下文时有效）。current宏的实现与硬件体系结构有关，有些硬件体系结构的有专门的寄存器保存当前task_struct指针，但是如x86，并没有这样的寄存器，就只能在内核栈的尾端创建thread_info结构，通过计算偏移简介的查找task_struct指针。方法是，把栈指针的后13个有效位屏蔽掉（假定栈为8KB,）：

　　　　movl $-8192,%eax

　　　　andl %esp,%eax

3.进程状态、上下文、家族树

　　task_struct中的state描述了进程的当前状态，值必为下列五种状态之一：

　　　　1.TASK_RUNNING

　　　　　　运行：正在执行或者在运行队列中等待执行，这是进程在用户空间唯一可能的状态。

　　　　2.TASK_INTERRUPTIBLE

　　　　　　可中断：进程阻塞，当进程的某些条件达成或者接收到信号而提前被唤醒，进程可以随时投入运行。

　　　　3.TASK_UNINTERRUPTIBLE

　　　　　　不可中断：进程阻塞，但是进程接收信号不会被唤醒，必须在等待时不受干扰或者等待事件很快就会发生。

　　　　4.TASK_TRACED

　　　　　　跟踪：被其他进程跟踪的进程。

　　　　5.TASK_STOPPED

　　　　　　停止：进程停止运行。

　　内核通过set_task_state（task，state）设置进程状态。

　　Linux的进程之间存在明显的继承关系，都是PID为1的init进程的后代。每个task_struct都包含一个指向其父进程名为parent的指针，还包含一个名为children的子进程链表。

4.进程创建

　　Unix将进程的创建工作分解到两个单独的函数执行：fork（）和exec（）。

　　首先，fork（）通过拷贝当前进程创建一个子进程，子进程和父进程的区别仅仅在于PID、PPID和某些资源的统计量（对于父进程， fork函数返回了子程序的进程号，而对于子程序，fork函数则返回零）。

　　exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容。一个进程一旦调用exec类函数，它本身就"死亡"了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，唯一留下的，就是进程号。

　　在Linux中使用exec函数族主要有两种情况：

　　　　1.当进程认为自己不能再为系统和用户做出任何贡献时，就可以调用任何exec函数族让自己重生。

　　　　2.如果一个进程想执行另一个程序，那么它就可以调用fork函数新建一个进程，然后调用任何一个exec，这样看起来就好像通过执行应用程序而产生一个新进程。（这种情况非常普遍）。

　　Linux的fork（）使用写时拷贝（copy-on-write）实现。内核并不复制整个进程地址空间，而是让父进程和子进程共享一个拷贝，资源的复制只有在需要写入的时候才进行，在此之前，以只读方式共享。在页根本不会被写入的情况下（fork（）后立即调用exec（）），就无须复制了。

5.线程

　　从内核的角度来说，它并没有线程的概念，Linux把所有的线程当作进程处理，而指定他们共享某些资源。

5.进程终结

　　进程的析构发生在进程调用exit（）系统调用时，极可能显式地调用这个系统调用，也可能从某个程序的主函数返回（c语言编译器会在main函数的返回点后面放之调用exit（）的代码）。终结任务大部分靠do_exit（）完成。do_exit（）完成一系列繁琐的工作，执行后，该进程并非马上消失。

　　父进程在子进程之前退出，需要保证这些子进程找到一个新的父亲。解决办法是给子进程在当前线程组内找一个线程作为父亲，如果不行，就让init进程领养。

　　进程终结时的清理工作和进程描述符的删除被分开执行。进程描述符的删除，发生在父进程已经获得已终结的子进程的信息后，或者通知内核它不在关注那些信息后。

　　wait（）系统调用族是通过唯一的系统调用wait4（）实现的，标准动作是挂起调用它的进程，由wait（）分析当前进程的某个子进程是否退出，wait就会收集这个进程的信息，并把它销毁后返回；如果没有找到，父进程会一直阻塞，直至有一个出现为止。