Linux操作系統(tǒng) 進程管理課件

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

進程管理內(nèi)容進程描述符；進程的調(diào)度時機及調(diào)度算法；進程的創(chuàng)建與消亡。10.1.1進程與進程描述符1.進程概念

2.進程描述符(進程控制塊)

由一個task_struct結(jié)構表示。task_struct結(jié)構是一個復雜的結(jié)構，占一千多字節(jié)，其各個成員用來準確描述進程在各方面的信息.主要有以下幾個部分：

Linux進程與傳統(tǒng)UNIX進程的概念沒有多大區(qū)別；沒有真正意義上的線程概念。但Linux通過clone（）系統(tǒng)調(diào)用支持輕權進程;Linux還支持內(nèi)核線程的概念，內(nèi)核線程永遠在核心態(tài)運行，沒有用戶空間。(1)進程標識

包括進程的標識號（pid）、進程的用戶標識、進程的組標識等。每個進程的標識號是惟一的。

(2)調(diào)度相關信息

這部分內(nèi)容與進程調(diào)度有關,一部分信息見后面的第5節(jié)。進程描述符中還需要有結(jié)構保存當進程被換出時寄存器的狀態(tài)，該進程恢復運行時便可從正確的狀態(tài)開始繼續(xù)運行。(3)進程虛擬空間信息

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

(7)描述進程間關系的指針

所有的進程通過一個雙向鏈表鏈接在一起。通過宏for_each_task可以對每個進程操作。指向其父進程、子進程、兄弟進程描述符的指針。需要根據(jù)pid號能夠快速找到進程，系統(tǒng)以pid為關鍵字建立了一個哈希表,哈希函數(shù)值相同的進程通過進程描述符的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)下運行，而普通進程通常在用戶模式下運行，只有通過系統(tǒng)調(diào)用才能切換到核心態(tài)運行。進程擁有兩個棧，用戶模式棧與核心模式棧，分別在相應模式下使用。進程描述符和進程核心棧的空間分配在一起，內(nèi)核為它們分配兩個連續(xù)的物理頁面。

因為進程描述符已經(jīng)占用了1KB多的空間，所以核心棧的有效空間是6KB多一點，合理的設計使得這個容量已經(jīng)足夠了。核心棧與進程描述符如圖10－1所示。兩個物理頁幀8KB進程描述符核心模式棧圖10－1核心棧與進程描述符棧自頂向下增長

TASK_STOPPED：進程處于暫停狀態(tài)，主要用于調(diào)試目的。如正在運行的進程收到SIGSTOP信號將進入TASK_STOPPED狀態(tài)。

TASK_ZOMBIE：表示進程已經(jīng)結(jié)束運行并釋放了大部分占用的資源，但task_struct結(jié)構還未被釋放。10.1.4進程的切換時機當前進程放棄CPU的情況可以分為兩種。一、進程主動地放棄CPU

這種情況大體可以分為兩類：

1.隱式地主動放棄CPU。往往是因為需要的資源目前不能獲取，如執(zhí)行read(),select()等系統(tǒng)調(diào)用的過程中,這種情況下的處理過程如下：

1)將進程加入合適的等待隊列。

2)把當前進程的狀態(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)果往往是當前進程放棄CPU。

進程的調(diào)度時機

進程的調(diào)度時機分成兩種情形：

例如，進程被動放棄CPU的情形。當進程描述符的need_resched被置1時，并不立即直接調(diào)用schedule（）調(diào)度函數(shù)。而是在隨后的某個時刻，當進程從內(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)，例如進程主動放棄CPU的第一類情形；間接調(diào)用schedule（）。10.1.5進程的調(diào)度算法

核心函數(shù)是schedule(),該函數(shù)的任務是選出一個可運行的進程。1.進程描述符有如下成員與調(diào)度有關：

1)policy標識進程的調(diào)度策略。

SCHED_OTHER普通進程；SCHED_FIFO實時進程，采用先進先出的調(diào)度算法；SCHED_RR實時進程，采用輪轉(zhuǎn)法。2)rt_priority實時進程的優(yōu)先級,普通進程不使用這個成員;3)nice普通進程的優(yōu)先級;4)counter進程目前的CPU時間配額。2.對于普通進程來講CPU時間的分配是典型的時分策略。

在某個時刻，運行隊列中的每個進程都有一個counter值，當所有運行隊列中的counter值都變?yōu)?以后，表明一輪已經(jīng)結(jié)束，每個進程的counter根據(jù)其nice重新賦值，開始新的一輪執(zhí)行過程。擁有CPU的進程每次時鐘中斷counter值減一。

5)現(xiàn)在進入了函數(shù)的核心部分?？蛇\行進程隊列的每個進程都將被計算出一個權值，主要是利用goodness（）函數(shù)，討論見后。最終最大的權值保存在變量c中，與之對應的進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)行進程的時間配額都已用完，因而對所有進程的counter重新“充電”，然后重新執(zhí)行第5)步。7)如果next進程就是當前進程,則結(jié)束shedule()的運行。否則進行進程切換，CPU改由next進程占據(jù)。

4.goodness（）函數(shù)

goodness（）函數(shù)計算進程的當前權值。該函數(shù)的第一個參數(shù)是待估進程的描述符。

如果該進程是實時進程，它的權值為1000＋rt_priority，1000是普通進程權值無法到達的數(shù)字，因而實時進程總可以優(yōu)先得到執(zhí)行。對于普通進程，它的權值為counter＋20-nice，如果其又是內(nèi)核線程，由于無需切換用戶空間，則將權值加一作為獎勵。10.1.6進程的創(chuàng)建1.進程的起源

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

3.sys_clone(),sys_vfork(),sys_fork()三個系統(tǒng)調(diào)用可以實現(xiàn)創(chuàng)建子進程，這三個系統(tǒng)調(diào)用最終都會調(diào)用do_fork（）函數(shù)完成主要工作。該函數(shù)的第一個參數(shù)clone_flags可由多個標志位組成，常見的標志位有：CLONE_VM

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

子進程父進程共享打開的文件;CLONE_VFORK

如果父進程想使子進程釋放空間時喚醒它，則置該位。

sys_clone（）對應的clone_flags可能是多個標志位的組合，取決于具體情況。

sys_fork（）對應的clone_flags值是SIGCHILD。SIGCHILD的作用是子進程終結(jié)或暫停時給父進程發(fā)信號。

sys_vfork（）對應的clone_flags值是CLONE_VFORK|CLONE_VM|SIGCHILD。

vfork（）是一個老的函數(shù)調(diào)用，子進程共享父進程的空間，包括頁表，父進程被掛起直到子進程執(zhí)行exec系列函數(shù)或子進程退出時。在合適的場合，較之fork（）時的“寫時拷貝”策略vfork（）無疑開銷更小。

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

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

3.TASK_ZOMBIE進程

在do_exit（