Linux操作系統(tǒng) 進(jìn)程管理課件

第10章Linux操作系統(tǒng)本章內(nèi)容：進(jìn)程管理,存儲(chǔ)管理,文件系統(tǒng)，設(shè)備管理，中斷、異常及系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程通信。10.1

進(jìn)程管理內(nèi)容進(jìn)程描述符；進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)及調(diào)度算法；進(jìn)程的創(chuàng)建與消亡。10.1.1進(jìn)程與進(jìn)程描述符1.進(jìn)程概念

2.進(jìn)程描述符(進(jìn)程控制塊)

由一個(gè)task_struct結(jié)構(gòu)表示。task_struct結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，占一千多字節(jié)，其各個(gè)成員用來(lái)準(zhǔn)確描述進(jìn)程在各方面的信息.主要有以下幾個(gè)部分：

Linux進(jìn)程與傳統(tǒng)UNIX進(jìn)程的概念沒(méi)有多大區(qū)別；沒(méi)有真正意義上的線程概念。但Linux通過(guò)clone（）系統(tǒng)調(diào)用支持輕權(quán)進(jìn)程;Linux還支持內(nèi)核線程的概念，內(nèi)核線程永遠(yuǎn)在核心態(tài)運(yùn)行，沒(méi)有用戶空間。(1)進(jìn)程標(biāo)識(shí)

包括進(jìn)程的標(biāo)識(shí)號(hào)（pid）、進(jìn)程的用戶標(biāo)識(shí)、進(jìn)程的組標(biāo)識(shí)等。每個(gè)進(jìn)程的標(biāo)識(shí)號(hào)是惟一的。

(2)調(diào)度相關(guān)信息

這部分內(nèi)容與進(jìn)程調(diào)度有關(guān),一部分信息見(jiàn)后面的第5節(jié)。進(jìn)程描述符中還需要有結(jié)構(gòu)保存當(dāng)進(jìn)程被換出時(shí)寄存器的狀態(tài)，該進(jìn)程恢復(fù)運(yùn)行時(shí)便可從正確的狀態(tài)開(kāi)始繼續(xù)運(yùn)行。(3)進(jìn)程虛擬空間信息

Linux的進(jìn)程都在自己的私有地址空間中運(yùn)行，task_struct的成員mm指向一個(gè)mm_struct結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)描述進(jìn)程空間。

(7)描述進(jìn)程間關(guān)系的指針

所有的進(jìn)程通過(guò)一個(gè)雙向鏈表鏈接在一起。通過(guò)宏for_each_task可以對(duì)每個(gè)進(jìn)程操作。指向其父進(jìn)程、子進(jìn)程、兄弟進(jìn)程描述符的指針。需要根據(jù)pid號(hào)能夠快速找到進(jìn)程，系統(tǒng)以pid為關(guān)鍵字建立了一個(gè)哈希表,哈希函數(shù)值相同的進(jìn)程通過(guò)進(jìn)程描述符的pidhash_next和pidhash_pprev成員鏈在一起。10.1.2核心態(tài)與核心棧uniontask_union{ structtask_structtask; unsignedlongstack[2048];};

Linux的運(yùn)行分為兩種模式──核心態(tài)和用戶態(tài)。內(nèi)核總在核心態(tài)下運(yùn)行，而普通進(jìn)程通常在用戶模式下運(yùn)行，只有通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用才能切換到核心態(tài)運(yùn)行。進(jìn)程擁有兩個(gè)棧，用戶模式棧與核心模式棧，分別在相應(yīng)模式下使用。進(jìn)程描述符和進(jìn)程核心棧的空間分配在一起，內(nèi)核為它們分配兩個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)面。

因?yàn)檫M(jìn)程描述符已經(jīng)占用了1KB多的空間，所以核心棧的有效空間是6KB多一點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)使得這個(gè)容量已經(jīng)足夠了。核心棧與進(jìn)程描述符如圖10－1所示。兩個(gè)物理頁(yè)幀8KB進(jìn)程描述符核心模式棧圖10－1核心棧與進(jìn)程描述符棧自頂向下增長(zhǎng)

TASK_STOPPED：進(jìn)程處于暫停狀態(tài)，主要用于調(diào)試目的。如正在運(yùn)行的進(jìn)程收到SIGSTOP信號(hào)將進(jìn)入TASK_STOPPED狀態(tài)。

TASK_ZOMBIE：表示進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行并釋放了大部分占用的資源，但task_struct結(jié)構(gòu)還未被釋放。10.1.4進(jìn)程的切換時(shí)機(jī)當(dāng)前進(jìn)程放棄CPU的情況可以分為兩種。一、進(jìn)程主動(dòng)地放棄CPU

這種情況大體可以分為兩類：

1.隱式地主動(dòng)放棄CPU。往往是因?yàn)樾枰馁Y源目前不能獲取，如執(zhí)行read(),select()等系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程中,這種情況下的處理過(guò)程如下：

1)將進(jìn)程加入合適的等待隊(duì)列。

2)把當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)改為TASK_INTERRUTIBLE或TASK_UNINTERRUTIBLE。

3)調(diào)用schedule()函數(shù)，該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果往往是當(dāng)前進(jìn)程放棄CPU。

進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)

進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)分成兩種情形：

例如，進(jìn)程被動(dòng)放棄CPU的情形。當(dāng)進(jìn)程描述符的need_resched被置1時(shí)，并不立即直接調(diào)用schedule（）調(diào)度函數(shù)。而是在隨后的某個(gè)時(shí)刻，當(dāng)進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)之前檢查need_resched是否為1，如果為1，則調(diào)用schedule（）調(diào)度函數(shù)。直接調(diào)用schedule（）調(diào)度函數(shù)，例如進(jìn)程主動(dòng)放棄CPU的第一類情形；間接調(diào)用schedule（）。10.1.5進(jìn)程的調(diào)度算法

核心函數(shù)是schedule(),該函數(shù)的任務(wù)是選出一個(gè)可運(yùn)行的進(jìn)程。1.進(jìn)程描述符有如下成員與調(diào)度有關(guān)：

1)policy標(biāo)識(shí)進(jìn)程的調(diào)度策略。

SCHED_OTHER普通進(jìn)程；SCHED_FIFO實(shí)時(shí)進(jìn)程，采用先進(jìn)先出的調(diào)度算法；SCHED_RR實(shí)時(shí)進(jìn)程，采用輪轉(zhuǎn)法。2)rt_priority實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí),普通進(jìn)程不使用這個(gè)成員;3)nice普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí);4)counter進(jìn)程目前的CPU時(shí)間配額。2.對(duì)于普通進(jìn)程來(lái)講CPU時(shí)間的分配是典型的時(shí)分策略。

在某個(gè)時(shí)刻，運(yùn)行隊(duì)列中的每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)counter值，當(dāng)所有運(yùn)行隊(duì)列中的counter值都變?yōu)?以后，表明一輪已經(jīng)結(jié)束，每個(gè)進(jìn)程的counter根據(jù)其nice重新賦值，開(kāi)始新的一輪執(zhí)行過(guò)程。擁有CPU的進(jìn)程每次時(shí)鐘中斷counter值減一。

5)現(xiàn)在進(jìn)入了函數(shù)的核心部分?？蛇\(yùn)行進(jìn)程隊(duì)列的每個(gè)進(jìn)程都將被計(jì)算出一個(gè)權(quán)值，主要是利用goodness（）函數(shù)，討論見(jiàn)后。最終最大的權(quán)值保存在變量c中，與之對(duì)應(yīng)的進(jìn)程描述符保存在變量next中。6)檢查c是否為0。若為0則表明所有可執(zhí)行進(jìn)程的時(shí)間配額都已用完，因而對(duì)所有進(jìn)程的counter重新“充電”，然后重新執(zhí)行第5)步。7)如果next進(jìn)程就是當(dāng)前進(jìn)程,則結(jié)束shedule()的運(yùn)行。否則進(jìn)行進(jìn)程切換，CPU改由next進(jìn)程占據(jù)。

4.goodness（）函數(shù)

goodness（）函數(shù)計(jì)算進(jìn)程的當(dāng)前權(quán)值。該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是待估進(jìn)程的描述符。

如果該進(jìn)程是實(shí)時(shí)進(jìn)程，它的權(quán)值為1000＋rt_priority，1000是普通進(jìn)程權(quán)值無(wú)法到達(dá)的數(shù)字，因而實(shí)時(shí)進(jìn)程總可以優(yōu)先得到執(zhí)行。對(duì)于普通進(jìn)程，它的權(quán)值為counter＋20-nice，如果其又是內(nèi)核線程，由于無(wú)需切換用戶空間，則將權(quán)值加一作為獎(jiǎng)勵(lì)。10.1.6進(jìn)程的創(chuàng)建1.進(jìn)程的起源

Linux最早產(chǎn)生的進(jìn)程是啟動(dòng)過(guò)程中創(chuàng)建出idle進(jìn)程（不是通過(guò)fork（），而是編碼制作出來(lái))，pid號(hào)為0。它是創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程，該線程進(jìn)行一系列初始化動(dòng)作后最終會(huì)執(zhí)行/sbin/init文件，執(zhí)行該文件的結(jié)果是運(yùn)行模式從核心態(tài)切換到了用戶態(tài)，該線程演變成了用戶進(jìn)程init，pid號(hào)為1。init進(jìn)程是一個(gè)非常重要的進(jìn)程，一切用戶態(tài)進(jìn)程都是它的后代進(jìn)程。intmain(void){ pid_tpid; if((pid=fork())<0){printf("forkfailed\n");exit(1); } elseif(pid==0){/*子進(jìn)程執(zhí)行進(jìn)入此部分*/ execlp("echoall","echoall",(char*)0); }else{/*父進(jìn)程*/ printf("forksuccess\n");exit(0);}}

3.sys_clone(),sys_vfork(),sys_fork()三個(gè)系統(tǒng)調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建子進(jìn)程，這三個(gè)系統(tǒng)調(diào)用最終都會(huì)調(diào)用do_fork（）函數(shù)完成主要工作。該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)clone_flags可由多個(gè)標(biāo)志位組成，常見(jiàn)的標(biāo)志位有：CLONE_VM

子進(jìn)程父進(jìn)程共享進(jìn)程空間;CLONE_FS子進(jìn)程父進(jìn)程共享文件系統(tǒng)信息;CLONE_FILES

子進(jìn)程父進(jìn)程共享打開(kāi)的文件;CLONE_VFORK

如果父進(jìn)程想使子進(jìn)程釋放空間時(shí)喚醒它，則置該位。

sys_clone（）對(duì)應(yīng)的clone_flags可能是多個(gè)標(biāo)志位的組合，取決于具體情況。

sys_fork（）對(duì)應(yīng)的clone_flags值是SIGCHILD。SIGCHILD的作用是子進(jìn)程終結(jié)或暫停時(shí)給父進(jìn)程發(fā)信號(hào)。

sys_vfork（）對(duì)應(yīng)的clone_flags值是CLONE_VFORK|CLONE_VM|SIGCHILD。

vfork（）是一個(gè)老的函數(shù)調(diào)用，子進(jìn)程共享父進(jìn)程的空間，包括頁(yè)表，父進(jìn)程被掛起直到子進(jìn)程執(zhí)行exec系列函數(shù)或子進(jìn)程退出時(shí)。在合適的場(chǎng)合，較之fork（）時(shí)的“寫(xiě)時(shí)拷貝”策略vfork（）無(wú)疑開(kāi)銷更小。

5)調(diào)用get_pid()函數(shù)為子進(jìn)程得到一個(gè)pid號(hào)。6)依次調(diào)用copy_files(),copy_fs(),copy_sighand(),copy_mm()分別復(fù)制父進(jìn)程文件處理、信號(hào)處理及進(jìn)程空間的信息。以上函數(shù)的具體行為取決clone_flags參數(shù)，例如,copy_mm()時(shí),如果clone_flags包含有CLONE_VM標(biāo)志，則子進(jìn)程共享父進(jìn)程的空間，不會(huì)進(jìn)行復(fù)制。7)調(diào)用copy_thread()初始化子進(jìn)程的核心模式棧時(shí),核心棧保存了進(jìn)程返回用戶空間的上文。此處與平臺(tái)相關(guān)，以i386為例，其中很重要的一點(diǎn)是存儲(chǔ)寄存器eax值的位置被置0,這個(gè)值就執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后子進(jìn)程的返回值。

8)將父進(jìn)程的當(dāng)前的時(shí)間配額counter分一半給子進(jìn)程。9)利用宏SET_LINKS將子進(jìn)程插入所有進(jìn)程都在其中的雙向鏈表。調(diào)用hash_pid（）,將子進(jìn)程加入相應(yīng)的hash隊(duì)列。10)調(diào)用wake_up_process(),將該子進(jìn)程插入可運(yùn)行隊(duì)列。至此，子進(jìn)程創(chuàng)建完畢,并在可運(yùn)行隊(duì)列中等待被調(diào)度運(yùn)行。11)如果clone_flags包含有CLONE_VFORK標(biāo)志，則將父進(jìn)程掛起直到子進(jìn)程釋放進(jìn)程空間。進(jìn)程描述符中有一個(gè)信號(hào)量vfork_sem可以起到將進(jìn)程掛起的作用。12)返回子進(jìn)程的pid值，該值就是系統(tǒng)調(diào)用后父進(jìn)程的返回值。4)設(shè)置進(jìn)程的退出狀態(tài)，調(diào)用exit_notify()處理該進(jìn)程與其父進(jìn)程和子進(jìn)程的各種關(guān)系。在該函數(shù)中會(huì)將該進(jìn)程狀態(tài)置為TASK_ZOMBIE。5)調(diào)用schedule（）調(diào)度函數(shù)切換到別的進(jìn)程。

3.TASK_ZOMBIE進(jìn)程

在do_exit（