Linux进程管理子系统

1.Linux进程要素

程序与进程

• 程序：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：是一个正在执行的程序，它是动态的实体。

进程的四要素

• 有一段程序供其执行，这段程序不一定是某个进程所专有，可以与其他进程共用
• 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，即通常所说的进程控制块（PCB）。有了这个数据结构，进程才能成为内核调度的一个基本单位，接收内核的调度。
• 有独立的用户空间（区分进程，用户线程，内核线程的方法）

• 注：不同进程之间不能共享同一地址空间，同一进程中的不同线程共享同一进程中的资源。

Linux进程状态
                             三种经典的状态的切换示意图

关于Linux的进程状态（不止以下六个状态）：

• 1、TASK_RUNNING（就绪态或运行态）
• 进程正在被CPU执行，或者已经准备就绪，随时可能执行。当一个进程刚被创建时，就处于TASK_RUNNING状态。
• 2、TASK_INTERRUPTIBLE（阻塞态）
• 处于等待中的进程，待等待条件为真时被唤醒，也可以被信号或者中断唤醒。
• 3、TASK_UNINTERRUPTIBLE（阻塞态的特殊的一种）
• 处于等待中的进程，待资源有效时唤醒，但不可以由其他进程通过信号或中断唤醒。---这是一种不合理的状态，若想通过信号将该进程杀死便没有办法。
• 4、TASK_KILLABLE（补充第三个信号的不合理）
• 在Linux2.6.25版本新引入的进程睡眠转态。原理类似于TASK_UNINTERRUPTIBLE，但可以被SIGKILL信号唤醒。
• 5、TASK_TRACED（正处于被调试状态的进程）
• 6、TASK_DEAD（进程退出时（调用do_exit）,所处的状态）

Linux进程描述

• 在Linux内核代码中，线程、进程都使用结构task_struct(sched.h)来表示，，在文件/include/linux/Sched.h中。它包含了大量描述进程/线程的信息，其中比较重要的有
  • pid_t     pid;        //进程号
  • long     state ;    //进程状态
  • int        prio；   //进程优先级

2.进程调度

学习调度需要掌握有以下3点：

• 1.调度策略
• 2.调度时机
• 3.调度步骤

调度策略

• 实时进程的优先级比一般进程的优先级要高。
• SCHED_FIFO：先入先出的实时进程，进程按照它们请求CPU的顺序执行CPU
• SCHED_RR：时间片轮转的实时进程，每个进程被分配一个时间段，即允许该进程在该时间段中运行，如果在时间片结束时该进程还在运行，则将剥夺CPU被分配给另一个进程。如果在时间片结束前阻塞或结束，则CPU立即进行切换。通常将时间片设为20-50ms
• SCHED_NORMALL(SCHED_OTHER)：普通分时进程
• SCHED_BATCH：批处理进程
• SCHED_IDLE：只有系统空闲时才能够被调度执行的进程

调度的时机

• 什么时候发生调度，即在什么时候调用schedule() 函数

主动式

• 在内核中直接调用schedule();当进程需要等待资源而暂时停止运行时，会让自己的状态置为挂起，并主动请求调度，让出CPU。
  • 例：
  • //current是一个宏，为一个指向task_struct的指针，即*task_struct。
  • current->state = TASK_INTERRUPIBLE;  // 表示将现在进程的状态设置为阻塞态，即主动放弃CPU
  • schedule();

根据抢占的时机分为两种：用户态抢占（Linux2.4 linux2.6）和内核态抢占（仅Linux 2.6支持）

用户态抢占

• 用户态抢占发生在：
  • a)从系统调用返回用户空间。
  • b)从中断处理程序返回用户空间。
• 内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched标志被设置，会导致schedule()被调用，即发生用户抢占
• need_resched标志会被设置的情形：
  • a)当某个进程耗尽它的时间片时，会设置need_resched标志
  • b)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need_resched标志
• 关于用户态抢占缺陷:
  • 进程/线程一旦运行到内核态就可以一直执行，直到它主动放弃或者时间片耗尽，这样便会导致一些紧急的进程或线程长时间得不到运行，降低整个系统的实时性

改进的方式：

• 允许系统在内核态也支持抢占，更高优先级的进程或线程可以抢占正在内核态运行的低优先级进程或线程

内核态抢占

• 内核抢占可能发生在：
  • a)中断处理程序完成，返回内核空间之前
  • b)当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁及使能软中断等

在支持内核抢占的系统中，某些特例是不允许抢占的：

• a)内核正在运行中断处理；
• b)内核正在进行中断上下文的Bottom Half(中断的底半部)处理。硬件中断返回前会执行软中断，此时仍然处于中断上下文中
• c)进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等，当持有这些锁时，不应该被抢占，否则由于抢占将可能导致其他进程长期得不到锁，而让系统处于死锁状态。
• d)内核正在执行调度程序Scheduler。抢占的原因就是为了进行新的调度，没有理由将调度程序抢占掉再运行调度程序。

内核抢占计数：

• 为保证Linux内核在以上情况下不会被抢占，抢占式内核使用了一个变量preempt_count，称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info结构中。每当内核要进入以上几种状态时，变量preempt_count就加1， 指示内核不允许抢占。每当内核从以上几种状态退出时，变量preempt_count就减1，同时进行可抢占的判断与调度。

调度步骤

Schedule函数工作流程如下：

• 1 )清理当前运行中的进程；（释放当前进程）
• 2)选择下一个要运行的进程；（根据调度策略选择下一个进程）
• 3)设置新进程的运行环境；（譬如堆栈、寄存器）
• 4)进程上下文切换。