主要內(nèi)容

進程

進程描述符及任務(wù)結(jié)構(gòu)

進程創(chuàng)建

線程在linux中的實現(xiàn)

進程終結(jié)

1. 進程

進程不僅僅是一段可執(zhí)行程序代碼，還包含其他資源，如打開的文件，掛起的信號，內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)，處理器狀態(tài)，一個或多個具有內(nèi)存映射的內(nèi)存地址空間及一個或多個執(zhí)行線程，存放全局變量的數(shù)據(jù)段等等。具體可見進程的地址空間。

線程是進程中活動的對象，擁有獨立的PC程序計數(shù)器，進程棧和一組進程寄存器，是內(nèi)核調(diào)度的基本對象。

進程的兩種虛擬機制：虛擬處理器和虛擬內(nèi)存

相關(guān)函數(shù)：

fork()，系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核返回兩次，一次回到父進程，一次回到新產(chǎn)生的子進程

exec()，創(chuàng)建新的地址空間并載入程序

exit() 退出執(zhí)行

wait() , waitpid()，父進程等待子進程終結(jié)

2. 進程描述符及任務(wù)結(jié)構(gòu)

雙向鏈表的任務(wù)隊列

分配進程描述符

linux通過slab分配器分配task_struct結(jié)構(gòu)，通過預(yù)先分配和重復(fù)使用，可以避免動態(tài)分配和釋放帶來的資源消耗。

在進程的內(nèi)核棧中，每個任務(wù)的thread_info結(jié)構(gòu)在它內(nèi)核棧的尾端分配，結(jié)構(gòu)中task域存放的是指向該任務(wù)實際task_struct的指針。

進程描述符的存放

pid，最大值默認為short int的最大值32768，可以修改pid_max文件來提高上限

進程狀態(tài)

進程狀態(tài)轉(zhuǎn)化.png

TASK_RUNNING，運行——進程或者正在執(zhí)行，或者在運行隊列中等待執(zhí)行

TASK_INTERRUPTIBLE，可中斷——進程正在睡眠(被阻塞)，等待某些條件的達成

TASK_UNINTERRUPTIBLE，不可中斷

_TASK_TRACED，被其它進程跟蹤的進程

_TASK_STOPPED，進程停止執(zhí)行，如接收到SIGSTOP,SIGTINT等信號

設(shè)置當前進程狀態(tài)

set_task_state(task, state)

進程上下文

當一個程序執(zhí)行了系統(tǒng)調(diào)用或者觸發(fā)了某個異常，它就陷入了內(nèi)核空間，此時，我們呈內(nèi)核“代表進程執(zhí)行”并處于進程上下文中

進程家族樹

Unix系統(tǒng)的進程之間存在一個明顯的集成關(guān)系，所有進程都是PID為1的init進程的后代

進程關(guān)系：父子，兄弟，在進程描述符中存放，每個task_struct都有指向父進程、子進程的指針

3. 進程創(chuàng)建

linux中創(chuàng)建進程分兩步，fork和exec

linux的fork()使用寫時拷貝(copy-on-write)實現(xiàn)，因為有可能fork后是執(zhí)行一個新的映像，父進程和子進程共享同一份拷貝，只有在需要寫入的時候，才會被復(fù)制。因此，fork()的實際開銷就是復(fù)制父進程的頁表以及給子進程創(chuàng)建唯一的進程描述符

linux通過clone()系統(tǒng)調(diào)用do_fork()，do_fork()調(diào)用copy_process()函數(shù)，然后讓進程開始運行，copy_process()完成的工作如下：

調(diào)用dup_task_struct()為新進程分配內(nèi)核棧，task_struct等，其中的值與當前進程相同，此時，子進程與父進程的描述符也相同

檢查創(chuàng)建子進程后，當前用戶所擁有的進程數(shù)目沒有超出給它分配的資源限制

子進程使自己與父進程區(qū)別開來。進程描述符內(nèi)許多統(tǒng)計信息成員都要被清0或設(shè)為初始值

子進程狀態(tài)設(shè)置為TASK_UNINTERRUPTIBLE，以保證不會投入運行

更新task_struct的flags成員，表明進程權(quán)限等

調(diào)用alloc_pid()為新進程分配一個有效的PID

根據(jù)傳遞給clone()的參數(shù)，copy_process()拷貝或共享打開的文件，文件系統(tǒng)信息，信號處理函數(shù)，進程地址空間和命名空間等

掃尾工作，返回指向子進程的指針

回到do_fork()函數(shù)后，內(nèi)核會優(yōu)先選擇子進程首先執(zhí)行，因為子進程通常會馬上調(diào)用exec()函數(shù)，可以避免寫時拷貝的額外開銷。

創(chuàng)建進程的fork()函數(shù)實際上最終是調(diào)用clone()函數(shù)。

vfork()調(diào)用，不拷貝父進程的頁表項，子進程作為父進程的一個單獨的線程在它的地址空間里運行，父進程被阻塞直到子進程退出或執(zhí)行exec()，子進程不能向地址空間寫入。

現(xiàn)在for()引入了寫時拷貝并且明確了子進程先執(zhí)行，vfork()的好處就僅限于不執(zhí)行父進程的頁表項了。

而且如果exec()調(diào)用失敗會怎樣？

4. 線程在Linux中的實現(xiàn)

從內(nèi)核的角度來說，并沒有線程這個概念，Linux把所有的線程都當做進程來實現(xiàn)，線程僅僅被視為一個與其他進程共享某些資源的進程。

Windows在內(nèi)核中提供了專門支持線程的機制。而對Linux來說，只是一種進程間共享資源的手段。

線程的創(chuàng)建和普通進程的創(chuàng)建類似，只不過調(diào)用clone()的時候需要傳遞額外參數(shù)標識

一個普通的fork()：clone(SIGCHLD, 0)

創(chuàng)建線程：clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0) 使子進程和父進程共享地址空間，文件資源，文件描述符，信號處理程序等。

內(nèi)核線程：

內(nèi)核線程沒有獨立的地址空間，只在內(nèi)核空間運行，可以被調(diào)度或搶占

5. 進程終結(jié)

當一個進程終結(jié)時，內(nèi)核必須釋放它所占有的資源并告知父進程

終結(jié)任務(wù)依靠do_exit()來完成：

設(shè)置task_struct中的標識成員設(shè)置為PF_EXITING

調(diào)用del_timer_sync()刪除內(nèi)核定時器, 確保沒有定時器在排隊和運行

調(diào)用exit_mm()釋放進程占用的mm_struct

調(diào)用sem__exit()，使進程離開等待IPC信號的隊列

調(diào)用exit_files()和exit_fs()，釋放進程占用的文件描述符和文件系統(tǒng)資源

把存放在task_struct的exit_code成員中的任務(wù)退出代碼置為exit()提供的退出代碼，或者去完成任何其他由內(nèi)核機制規(guī)定的退出動作，退出代碼存放在此供父進程隨時檢索

調(diào)用exit_notify()向父進程發(fā)送信號，給子進程重新找養(yǎng)父(init進程)，并把進程狀態(tài)設(shè)為EXIT_ZOMBIE

do_exit()調(diào)用schedule()切換到新的進程，不會再被調(diào)度，do_exit()永不返回

至此，與進程相關(guān)聯(lián)的所有資源都被釋放掉了，進程處于(EXIT_ZONBIE退出狀態(tài))且不可運行，占用的內(nèi)存僅剩內(nèi)核棧、thread_info結(jié)構(gòu)和tast_struct結(jié)構(gòu)，此時進程存在的唯一目的就是向它的父進程提供信息。父進程檢索到信息后，由進程所持有的剩余內(nèi)存被釋放，歸還給系統(tǒng)。

wait()通過系統(tǒng)調(diào)用wait4()來實現(xiàn)，返回子進程的PID，調(diào)用該函數(shù)時提供的指針會包含子函數(shù)退出時的退出代碼

刪除進程描述符，父進程調(diào)用release_task()

如果沒有父進程，子進程exit_notify()的時候，調(diào)用forget_original_parent() -> find_new_reaper()來執(zhí)行尋父過程

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux内核的进程管理,Linux内核设计与实现——进程管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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