Skip to content

Latest commit

 

History

History
211 lines (121 loc) · 9.66 KB

README.md

File metadata and controls

211 lines (121 loc) · 9.66 KB

📔 第 03 章 进程管理 学习笔记

1. 进程概述

  • 进程是处于执行期的程序（目标码存放在某种存储介质上）。

    • 进程是正在执行的程序代码的实时结果。

  • 执行线程，简称线程，是在进程中活动的对象。

    • 每个线程都有独立的程序计数器、进程栈和一组进程寄存器。

    • 在Linux中，线程是一种特殊的进程。

  • 现代OS中，进程提供了两种虚拟机制：

    • 虚拟处理器：多个进程共享一个处理器，虚拟处理器就是给进程一种独享处理器的错觉。

    • 虚拟内存：让进程在分配和管理内存时觉得自己独享整个系统的所有内存资源。

    • 在线程之间可以共享虚拟内存，但每个线程都有各自的虚拟处理器。

  • 程序本身不是进程，进程是处于执行期的程序以及相关的资源的总称。

  • Linux 内核中把进程叫做任务。

2. 进程描述符及任务结构

内核把进程的信息列表存放在任务队列（task list）的双向链表中。链表中的每一项都是类型为 task_struct，称为进程描述符的结构。

  • 结构定义在 <linux/sched.h> 头文件中。

进程描述符中包含一个具体进程的所有的信息。包含了：打开的文件、进程的地址空间、挂起的信号，进程的状态等信息。

2.1 分配进程描述符

Linux通过slab分配器分配 task_struct 结构，从而达到对象复用和着色的目的。

2.2 进程描述符的存放

内核通过唯一的 进程标识值或者PID 来标识每个进程。内核将每个进程的PID存放到各自的进程描述符中。

  • IPD是一个int类型的数，标识 pid_t 隐含类型。
  • PID最大值默认为32768（可以在 <linux/threads,h> 头文件中修改限制值）。

在内核中，访问任务通常需要获得指向其 task_struct 的指针。硬件体系结构的不同，访问和查找 task_struct 结构的方式也不同。

2.3 进程状态

系统中的每个进程都必然处于五种状态中的其中一种。

2.4 设置当前进程状态

内核进程需要调整某个进程的状态。所以使用 set_task_state(task, state) 函数：

set_task_state(task, state); // 将指定的进程task设置为指定的状态state

具体的参数查看 <linux/sched.h> 头文件。

2.5 进程上下文

可执行程序代码从一个可执行文件载入到进程的地址空间执行。

  • 一般程序在用户空间执行。

  • 程序执行了系统调用或者异常处理，此时陷入内核执行，这种方式称内核为 “代表进程执行” 并处于进程上下文中。

    • 对于某些接口，内核有明确的定义，程序对内核的访问都必须通过这些接口。

2.6 进程家族树

  • 在Linux/Unix中，进程之间存在继承关系。Linux中所有的进程都是PID为1的init进程的后代。内核在系统启动的最后阶段启动init进程。

  • 系统中每个进程必有一个父进程，每个进程也可以有零个或多个子进程。拥有同一个父进程的所有进程叫兄弟。

  • init进程的进程描述符是 init_task 静态分配的。

  • 对于进程来说，可以通过重复遍历的方式查找指定的进程：

    • 缺点：遍历会造成大量的开销。

  • 获取给定的进程的方式：

    list_entry(task->tasks.next, struct task_struct, tasks); // 获取链表中的下一个进程
list_entry(task->tasks.prev, struct task_struct, tasks); // 获取链表中的前一个进程

3. 进程创建

Linux创建进程的方式和其它系统不同，在Linux中创建进程的步骤是两个单独的函数：

  • fork()：拷贝当前进程创建一个子进程。
  • exec()：负责读取可执行并将其载入到地址空间开始运行。

3.1 写时拷贝

  • Linux的 fork() 使写时拷贝（copy-on-write）页实现。

    写时拷贝是一种可以推迟甚至免除拷贝数据的计数。

  • 内核并不是复制整个进程地址空间，而是让父进程和子进程共享同一个拷贝。只有在需要写入时，数据才会被复制，使得各个进程拥有各自的拷贝。

  • fork() 的开销时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()

Linux中的 fork() 的实现是通过系统调用 clone() ，然后clone()再去调用 do_fork()。而 do_fork() 函数调用了 copy_process() 函数去让进程运行。函数定义在 kernel/fork.c 文件中。

copy_process() 函数的执行过程：

  • 调用 dup_task_struct() 为新进程创建一个内核栈、thread_info 结构和 task_struct，其中的值和当前父进程的值相同。

  • 检查并确保新创建的子进程的数目没有超过所分配的资源的限制。

  • 设置子进程的信息清0或者设置为初始值。使其父子进程区分开。

  • 将新创建的子进程的状态设置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE，保证不会被投入运行。

  • copy_process() 调用 copy_flags() 以更新 task_struct 的flags成员。

    • 表明进程是否拥有超级用户权限的 PF_SUPERPRIV 标志被清0
    • 表明进程还没有调用 exec() 函数的 PF_FORKNOEXEC 标志被设置。

  • 调用 alloc_pid() 为新进程分配一个有效的PID

  • 根据clone() 的参数标识， copy_process() 拷贝或共享打开的文件、文件系统信息、信号处理函数、进程地址空间和命名空间等。

  • copy_process() 做扫尾工作并返回一个指向子进程的指针。

3.3 vfork()

  • 除了不拷贝父进程的页表项外，vfork() 和 fork() 的功能相同。

4. 线程在Linux中的实现

线程机制的好处

  • 提供了在同一程序内共享内存地址空间运行的一组线程。
  • 支持并发程序设计。
  • 在多处理系统中，也能保证真正的并行处理。

Linux中，线程也称为轻量级的进程。线程被抽象成一种耗费较少资源，执行迅速的执行单元。

4.1 创建线程

线程的创建和进程的创建类似，只需要在调用 clone() 时传递一些参数标志来指明需要共享的资源：

// 和fork() 操作类似，父子进程共享地址空间、文件系统资源、文件描述符和信号处理程序
clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);

// 普通fork() 的实现
clone(SIGCHLD, 0);

// vfork() 的实现
clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0);

不同的参数决定了父子进程间共享的资源种类。

4.2 内核线程

内核线程和普通进程间的区别：

  • 内核线程没有独立的地址空间（指向地址空间的mm指针被设置为NULL），只能在内核空间中运行。

  • 都可以被调度，也可以被抢占。

5. 进程终止

当一个进程终止时，内核必须释放所占的资源并告知其父进程。

进程的创建是fork()，终止时是exit()系统调用。当进程接收到既不能处理也不能忽略的信号或者异常是，就会被动触发终止。大部分终止都要 do_exit() 来完成。也就有对应的步骤：

  • 将 task_struct 中的标志成员设置为 PF_EXITING。

  • 调用 del_timer_sync() 删除一内核定时器。根据返回结果，判断定时器是否在排队或者在运行。

  • 调用 exit_mm() 函数释放进程占用的 mm_struct，如果未被占用，就彻底释放。

  • 调用 sem__exit() 函数，使进程离开排队等候IPC信号。

  • 调用 exit_files() 和 exit_fs()，以分别递减文件描述符、文件系统数据的引用计数。

  • 把 task_struct 的 exit_code 成员中的任务退出代码置为由 exit() 提供的退出代码。

  • 调用 exit_notify() 向父进程发送信号，给子进程重新找父进程。并将进程状态设置为 EXIT_ZOMBIE。

  • do_exit() 调用 schedule() 切换到新的进程继续指向。

    • do_exit() 没有返回值。

子进程处于 EXIT_ZOMBIE 状态时，进程不会被调度，与进程相关联的资源都被释放了，但是被占用的内存没有被释放。例如：创建进程时分配的内核栈、thread_info结构和task_struct结构等，都需要父进程释放。

5.1 删除进程描述符

执行 do_exit() 之后，会残留对应进程的进程描述符。

父进程在收到 exit_notify() 告知后，检测信息的状态。如果未被占用，就直接释放所有内存，归还给系统使用。

当需要释放进程描述符时，调用 release_task() 完成如下工作：

  • 调用 __exit_signal()，该函数调用 _unhash_process() ，而_unhash_process() 再去调用 detach_pid() 从 pidhash 上删除该进程，同时从任务列表中删除进程。

  • _exit_signal() 释放目前僵死进程所使用的所有剩余资源，并进行最终统计和记录。

  • 如果出现领头进程死掉，release_task() 需要告知僵死的领头进程的父进程。

  • release_task() 调用 put_task_struct() 释放进程内核栈和 pthread_info 结构所占的页，并释放 task_struct 所占的slab高速缓存。

5.2 孤儿进程造成的进退维谷

  • 如果父进程在子进程之前退出，会给子进程在当前线程组内找一个线程作为父进程，如果不行，就用init作为父进程。

  • 当子进程在退出时，do_exit() 会调用exit_notify()，则notify函数会调用 forget_original_parent()，而后者会调用 find_new_reaper() 来执行寻找父进程。

    • find_new_reaper() 先在当前进程组中找一个线程作为父进程，如果找不到，就使用 init 作为父进程。
    • init 进程在Linux启动时就一直会存在。