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Lesson7.5-Linux进程管理子系统.md

File metadata and controls

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Linux进程管理子系统

Linux进程控制

  • 进程和程序的区别

    • 程序是存放在磁盘上的一系列代码和数据的可执行映像, 是一个静止的实体;
    • 进程是一个执行中的程序, 是一个动态的实体;

  • 进程四要素:

    • 有一段程序供其执行;
    • 有进程专用的内核空间堆栈;
    • 在内核中有一个task_struct数据结构, 即进程控制块;
    • 有独立的用户空间;

  • 进程描述

    • Linux中, 线程、进程都使用struct task_struct表示, 包含大量描述进程/线程的信息:

      • pid_t pid - 进程号/线程号;
      • volatile long state - 进程状态;
        1. TASK_RUNNING
        2. TASK_INTERRUPTIBLE
        3. TASK_UNINTERRUPTIBLE
        4. TASK_STOPPED
        5. TASK_KILLABLE
        6. TASK_TRACED
        7. TASK_DEAD
      • int exit_state - 进程退出时的状态
        1. EXIT_ZOMBIE - 僵死进程
        2. EXIT_DEAD - 僵死撤销状态

      • struct mm_struct *mm - 进程用户空间描述指针, 内核线程该指针为空
      • unsigned int policy - 该进程的调度策略
      • int prio - 优先级, 相当于2.4中goodness()的计算结果.
      • int static_prio - 静态优先级, 仅影响非实时进程的优先级, 进程初始时间片的大小仅决定于进程的静态优先级;
      • struct sched_rt_entity rt - 时间片

  • Current指针

    • Linux中用current指针指向当前正在运行的进程的task_struct

  • 进程创建

  • 进程销毁

    • 进程销毁可通过以下事件驱动:
      1. 通过正常的进程结束;
      2. 通过信号;
      3. 通过对exit()函数的调用;
    • 不管进程如何退出, 进程的结束都要借助对内核函数do_exit()的调用

Linux进程调度

  • 什么是调度

    • 从就绪的进程中选出最合适的一个来执行

  • 调度策略

    • SCHED_NORMAL(SCHED_OTHER): 普通的分时进程
    • SCHED_FIFO: 先进先出的实时进程
    • SCHED_RR: 时间片轮转的实时进程
    • SCHED_BATCH: 批处理进程
    • SCHED_IDLE: 只在系统空闲时才能被调度执行的进程

  • 调度类

    • 调度类的引入增强了内核调度程序的可扩展性,这些类(调度程序模块)封装了调度策略, 并将调度策略模块化.
      • CFS调度类 (在kernel/sched_fair.c中实现)用于以下调度策略: SCHED_NORMAL/SCHED_BATCH/SCHED_IDLE;
      • 实时调度类 (在kernel/sched_rt.c中实现)用于SCHED_RR/SCHED_FIFO策略.
struct sched_class
{
  struct sched_class *next;

  void (*enqueue_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wakeup);
  void (*dequeue_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int sleep);

  void (*yield_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
  void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p);

  struct task_struct* (pick_next_task)(struct rq *rq); //选择下一个要运行的进程
  void (*put_prev_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);

  unsigned long (*load_balance)(
    struct rq *this_rq, int this_cpu, struct rq *busiest,
    unsigned long max_nr_move, unsigned long max_load_move,
    struct sched_domain *sd, enum cpu_idle_type idle,
    int *all_pinned, int *this_best_prio);

  void (*set_curr_task)(struct rq *rq);
  void (*task_tick)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
  void (*task_new)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
}

  • 调度时机

    1. 主动式
    • 在内核中直接调用schedule() 
      // 例子:
current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
schedule();
    1. 被动式(抢占)
    • 用户抢占 - 内核即将返回用户空间时, 如果need_resched被置位,就会发生用户抢占.
      • 从系统调用返回用户空间时;
      • 从中断处理程序返回用户空间时;
    • 内核抢占
      • 不支持内核抢占的系统, 进程/线程一旦运行于内核空间, 就可以一直执行, 直到它主动放弃或时间片耗尽;
      • 支持内核抢占的系统, 更高优先级的进程/线程可抢占正在内核空间运行的低优先级进程/线程;
      • 支持内核抢占的系统, 某些特例下不允许内核抢占:
        1. 内核正在进行中断处理;
        2. 内核正在进行中断上下文的BottomHalf处理;
        3. 进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等;
        4. 内核正在执行调度程序Scheduler;
      • 内核抢占可能发生在:
        1. 中断处理程序完成, 返回内核空间前;
        2. 当内核代码再次具有可抢占性的时候, 如解锁及使能软中断等;

  • 调度标志 - TIF_NEED_RESCHED

    • 作用:
      • 内核提供了一个need_resched标志来表明是否需要重新执行一次调度;
    • 设置:
      1. 当某个进程耗尽它的时间片时, 会设置这个标志;
      2. 当一个优先级更高的进程进入可执行状态的时候, 也会设置这个标志;

  • 调度步骤 - Schedule函数工作流程:

    1. 清理当前运行中的进程;
    2. 选择下一个要运行的进程 (pick_next_task分析);
    3. 设置新进程的运行环境;
    4. 进程上下文切换;

Linux系统调用

  • 定义

    • Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的函数, 称为系统调用. 用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们.

  • 区别

    1. 系统调用由操作系统内核实现, 运行于内核态;
    2. 普通函数调用由函数库或用户自己提供, 运行于用户态;

  • 库函数

    • Linux提供了一些C语言函数库, 这些库函数对系统调用进行了一些包装和扩展;

  • 系统调用数

    • arch/arm/include/asm/unistd.h中可找到系统调用;

  • 系统调用的工作原理

    • 应用程序首先用适当的值填充寄存器, 然后调用一个特殊的指令跳转到内核某一固定的位置, 内核根据应用程序所填充的固定值找到相应的函数执行
      1. 适当的值
      • 系统调用号, 在文件include/asm/unistd.h中为每个系统调用规定了唯一的编号;
      1. 特殊的指令
      • Intel CPU中, 该指令由中断0x80实现;
      • ARM中, 该指令是SWI(SVC)指令
      1. 固定的位置
      • ARM体系中, 该位置是 ENTRY(vector_swi) <entry-common.S>
      1. 相应的函数
      • 内核根据应用程序传递来的系统调用号, 从系统调用表sys_call_table找到相应的内核函数;
      • CALL(sys_restart_syscall)
      • CALL(sys_exit)
      • CALL(sys_fock_wrapper)

  • 向内核中添加新的系统调用:

    1. 添加新的内核函数;
    2. 更新头文件 unistd.h
    3. 针对这个新函数更新系统调用表calls.S

  • 实现系统调用

    1. 在kernel/sys.c中添加函数:
// asmlinkage - 使用栈传递参数
asmlinkage int sys_add(int a, int b)
{
  return a+b;
}
  1. 在arch/arm/include/asm/unistd.h中添加如下代码
#define __NR_add (__NR_SYSCALL_BASE+361)
  1. 在arch/arm/kernel/calls.S中添加代码, 指向新实现的系统调用:
CALL(sys_add)
  1. 应用程序使用系统调用
#include <stdio.h>
#include <linux/unistd.h>

int main (void)
{
  int result = syscall(361, 1, 2);
  printf("result = %d", result);

  return result;
}

Proc文件系统

  • 什么是proc文件系统?
    • 通过/proc/meminfo, 查询当前内存使用情况;
    • proc文件系统是一种在用户态检查内核状态的机制
子目录/文件名 内容描述
apm 高级电源管理信息
bus 总线以及总线上的设备
devices 可用的设备信息
driver 已经启用的驱动程序
interrupts 中断信息
ioports 端口使用信息
version 内核版本

  • 特点

    1. 每个文件都规定了严格的权限;
    2. 可以用文本编辑程序读取;
    3. 不仅可以有文件, 还可以有子目录;
    4. 可以自己编写程序添加一个/proc目录下的文件;
    5. 文件的内容都是动态创建的, 并不存在于磁盘上;

  • 内核描述

struct proc_dir_entry
{
  read_proc_t *read_proc;
  write_proc_t *write_proc;
}
  • 创建文件
struct proc_dir_entry* create_proc_entry(
  const char *name, mode_t mode, struct proc_dir_entry *parent)

function: 创建proc文件
parameters:
  - name: 要创建的文件名
  - mode: 要创建的文件的属性
  - parent: 该文件的父目录
  • 创建目录
struct proc_dir_entry* proc_mkdir(
  const char *name, struct proc_dir_entry *parent)

  function: 创建proc目录
  parameters:
    - name: 要创建的目录名
    - parent: 该目录的父目录
  • 删除目录/文件
void remove_proc_entry(
  const char *name, struct proc_dir_entry *parent)

  function: 删除proc文件/目录
  parameters:
    - name: 要删除的文件/目录名
    - parent: 所在的父目录
  • 文件读写
    • 为了能让用户读写添加的proc文件, 需要挂接上读写回调函数:
      • read_proc
      • write_proc
    • 读操作
int read_func(char* buffer, char** stat,
  off_t off, int count, int *peof, void *data)
parameters:
  - buffer: 把要返回给用户的信息写在buffer里, 最大不超过PAGE_SIZE;
  - stat: 一般不使用;
  - off: 偏移量;
  - count: 用户要取的字节数;
  - peof: 读到文件尾时, 需要把*peof置1
  - data: 一般不使用;
  • 写操作
int write_func(struct file *file, const char *buffer,
  unsigned long count, void *data)
parameters:
  - file: 该proc文件对应的file结构, 一般忽略;
  - buffer: 待写的数据所在的位置
  - count: 待写数据的大小
  - data: 一般不使用
  • 实现流程
    1. 调用create_proc_entry创建一个struct proc_dir_entry;
    2. 对创建的struct proc_dir_entry进行赋值: read_proc, mode, owner, size, write_proc等;

Linux内核异常

  • "Oops"信息定义

    • 内核级的Segmentation Fault. 应用程序进行了非法内存访问或执行了非法指令, 会得到Segmentation Fault信号, 一般的行为是coredump, 应用程序也可以自己截获Segmentation Fault信号, 自行处理. 如果内核自己犯了这样的错误, 则会打出"Oops"信息

  • 分析步骤

    1. 错误原因提示
    2. 调用栈 (对照反汇编代码)
    3. 寄存器