进程⌗

进程是处于执行期的程序，在内核中通常称为task，包含以下资源：

  • 可持续程序代码(text section)
  • 打开的文件
  • 挂起的信号
  • 内核内部数据
  • 处理器状态
  • 一个或多个具有内存映射的内存地址空间
  • 一个或多个线程
  • 全局变量的数据段
  • 等等

进程提供2种虚拟机制：

  • 虚拟处理器
  • 虚拟内存

线程是在进程中活动的对象，内核的调度对象是线程，而不是进程。线程之间有独立的虚拟处理器，但是共享虚拟内存。Linux对进程和线程不做特别区分，在Linux中线程只是一种特殊的进程。

线程拥有以下独立资源：

  • 程序计数器
  • 进程栈
  • 进程寄存器

相关系统调用：

  • 常用fork()系统调用创建进程，调用后从内核返回两次，一次回到父进程，一次回到子进程。
  • 现代Linux内核中fork()由clone()系统调用实现。
  • fork()后调用exec()系列函数创建新的地址空间，载入程序。
  • 调用exit()退出执行，并释放资源。
  • 父进程通过wait4()查询子进程是否终结。
  • 子进程推出后变为zombie状态，直到父进程调用wait()或waitpid()。

进程描述符⌗

任务结构⌗

进程描述符存放在内核的任务队列(task list)双向链表中，链表的每一项是一个task_struct结构体，每个task_struct在32位机器上大约占1.7KB内存。

// linux/sched.h
struct task_struct{
    unsigned long state;
    int prio;
    unsigned long policy;
    struct task_struct *parent;
    struct list_head tasks;
    pid_t pid;
    // ...
}

分配进程描述符⌗

内核通过slab分配器动态分配task_struct，在每个内核栈的栈底创建一个thread_info结构体，其中的task字段存放指向实际task_struct的指针。

// asm/thread_info.h
struct thread_info{
    struct task_struct *task;
    // ...
}

在內存中的结构如下图所示： thread_info

进程描述符的存放⌗

PID是pid_t类型，一般就是int。可以通过/proc/sys/kernel/pid_max查看和修改PID最大值，这个值通常是400多万，足够使用。

获取当前进程描述符使用current()宏，等价于以下语句：

current_thread_info()->task

进程状态⌗

task_struct的state字段表示进程状态 进程有5种状态：

  • TASK_RUNNING：可执行，正在执行或在运行队列中等待执行
  • TASK_INTERRUPTIBLE：被阻塞，等待某些条件完成
  • TASK_UNINTERRUPTBLE：不可中断的阻塞，对信号不做响应，较少使用
  • __TASK_TRACED：被其他进程跟踪，例如通过ptrace对程序跟踪调试
  • __TASK_STOPPED：停止执行，不能投入运行，在收到信号SIGSTOP,SIGTSTP，SIGTIN,SIGTOUT等信号后。

进程上下文⌗

当程序执行了系统调用或出发了异常，就陷入内核空间，此时内核处于进程上下文中，内核代表进程执行。进程上下文中current宏是有效的

进程家族树⌗

task_struct中的parent字段记录了父进程的指针，所有进程都是PID为1的init进程的后代所有组成一颗树的结构，命令pstree打印进程树。

进程创建⌗

其他操作系统都有spawn产生进程的机制，Linux将spawn过程拆成了fork()和exec()两步。

fork()拷贝当前进程创建子进程，父子进程的区别在于PID、PPID、某些资源（挂起的信号）和统计量。

exec()加载可执行文件到虚拟地址空间，开始执行。

Copy-on-Write⌗

fork()时不会复制整个进程地址空间，而是将地址空间以只读的方式共享，延迟到写入时再拷贝。

fork()⌗

通过clone()系统调用实现，其他的函数如vfork(),__clone()都会调用clone()，clone()再调用do_fork()。

vfork()⌗

不拷贝父进程的页表项，其他和fork()相同。子进程作为父进程的一个单独的线程在地址空间里运行，不能向地址空间写入，父进程被阻塞，直到子进程退出或执行exec()。

线程的实现⌗

内核中并没有线程的概念，把所有线程当作进程实现，线程仅仅是共享某些资源的进程。每个线程有自己的task_struct。

举个例子，创建1个包含4线程的进程，在Linux中只需要创建4个进程，分别分配4个对应的task_struct，设置共享某些资源。

线程创建⌗ 

clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);

共享虚拟内存地址空间、文件系统、文件名描述符、信号处理程序。

对比fork()：

clone(SIGCHLD, 0);

对比vfork()：

clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0);

clone()的参数标志都定义在linux/sched.h头文件中。

内核线程 kernel thread⌗

  • 负责执行一些内核的后台操作
  • 没有独立的地址空间
  • 只在内核空间运行，不会切换到用户空间
  • 和普通进程一样可以被调度，被抢占

用命令ps -ef查看，进程名在[]中的都是内核进程。

内核线程只能由其他内核线程创建，从kthreadadd内核进程中衍生出所有新的内核线程。

  • 创建内核线程
// linux/kthread.h
struct task_struct *kthread_create(...); // 创建后需要调用wake_up_process()运行
struct task_struct *kthread_run(...); // 宏，创建内核线程并运行
  • 推出内核线程，可以调用do_exit()，或
int kthread_stop(struct task_struct *k);

进程终止⌗

进程可以主动终止或被动终止

  • 主动终止，进程调用exit()系统调用
    • 显式调用
    • 隐式调用，例如从main()函数返回
  • 被动终止
    • 接收到不可忽略且不能处理的信号和异常

大部分情况需要调用linux/exit.c中的do_exit()函数，这个函数不会返回，将进程的退出状态exit_state设置为EXIT_ZOMBIE僵尸态，进程不会再被调度运行。与进程相关的资源都被释放，仅剩下内核栈、thread_info、task_struct。

删除进程描述符⌗

调用wait()系列函数释放僵尸子进程的剩余资源。

孤儿进程⌗

如果父进程在子进程之前终止，init进程会作为新的父进程，init进程会清理掉僵尸进程。