【进程管理】进程四要素

在linux内核中，任务和进程是同一概念，进程的四要素总结如下：

（1）有一段程序可执行，不一定被某进程所专有，可与其他进程共有；

（2）进程有专有的系统堆栈空间；

（3）进程控制块即task_struct结构体，登记在内核中，使得进程可成为一个基本单位接受内核调度；同时它还记录着进程所占有的各项资源；

（4）除上述的专有的系统堆栈空间，还要有独立的存储空间，意味着有专有的用户空间；注意，进程只能改变自身的系统堆栈空间，是不能改变系统空间（不独立）；如用于虚存管理的mm_struct以及它下属的vm_area，页目录项和页面表，它们从属于task_struct的资源；

如果缺失了条件4，那么就是线程；完全没有用户空间，称为内核线程；共享用户空间，称为用户线程；请不要与有些系统（比如JVM）在用户空间的同一进程实现了的线程的相混淆；linux内核已经提供了对线程的支持；linux并不严格区分线程和进程的概念；Linux系统运行初期时的第一个进程是初始化阶段创造出来的，后面的进程或线程都是通过已存在的进程创建出来的；比如fork和clone；

Intel在i386系统结构设计中考虑到了进程的管理和调度，并从硬件上支持任务间的调度，就是“任务状态段”TSS，它用来记入一个任务的关键的状态信息（104字节），包括：

（1）任务切换前夕的各通用寄存器的内容以及段寄存器（ES，CS，SS，DS，FS，ES）的内容，EFLAGS，地址寄存器EIP的内容；

（2）指向前一个任务的TSS结构的段选择码，当前任务执行IRET指令时，就返回到这个段选择器所指的任务；

（3）LDT段选择码，CR3任务的页面目录，0,1,2,三级的堆栈指针，SS0，SS1，SS2，ESP0，ESP1，ESP2；

（4）程序跟踪的Debug标志位T；

（5）其他的附加细腻系，包括非内核和非用户空间能够执行的外设驱动程序，即I/O权限的位图；vm86模式下的中断重定向位图；

CPU还增设了一个任务寄存器TR，指向当前任务的TSS；相应的增加了一条指令LTR，对TR寄存器进行装入操作；在IDT表中，除以前的中断门，陷阱门，调用门外，还定义了一种任务门；任务门中包含一个TSS段选择码，当CPU因中断而穿过一个任务门时，会将任务门中的段选择码自动装入TR，使TR指向新的TSS，并完成任务的切换；CPU还可通过JMP或CALL来通过调用门将目标段实际指向GDT表中的一个TSS描述项，就会引起一次任务切换；

然而Linux实际上是不采用i386CPU硬件提供的任务切换机制；但是要设置TR和TSS（走过场），linux内核也不使用任务门，也不实用JMP和call内容；内核只在初始化阶段设置TR，使它指向一个TSS（全局使用），从此以后不改变TR的内容，即每一个CPU在初始化以后的全部运行过程中永远各自使用同一个TSS；同时内核切换也不依靠TSS保存每一个进程切换时的寄存器副本，而是将这些寄存器的副本保存到各个进程自己的系统堆栈中（用这个来跟新TSS中的值，而Intel的意图是有多个轮流的TSS）；结构体数组init_tss[NR_CPUS]，是系统中CPU的个数，每一个TSS的内容都是相同的；

（1）每一个进程都有要素（2），（3）即系统空间堆栈和一个task_struct；他们紧密联系，在物理空间也是连在一起的，分配两个连续的物理页面共8KB，其中task_struct为1KB左右，系统空间堆栈是7KB，不能动态扩展，因此不能使用太多和太大的局部变量；THREAD_SIZE定义为2个页面，表示每一个内核线程这两项基本资源所占的物理存储空间的大小，通过alloc_task_struct()（请求了两个页的数据）；

（2）在get_current(）中通过当前指针寄存器ESP和0xfffffe00与就可得到当前进程的task_struct的起始地址（and需4个CPU时钟），这个效率很高，比放在全局变量里要高（先and然后还要mov总共需6个CPU时钟）；其实宏操作GET_CURRENT的汇编实现也是一样的；

（3）在task_struct结构体中，state表示进程当前的运行状态，可取值TASK_RUNNING（表示一个进程已就绪，但不一定在执行），TASK_INTERRUPTABLE(可被信号打断，浅度睡眠，interrupt_sleep_on(）和interrupt_wake_up())以及TASK_UNINTERRUPTABLE（深度睡眠，不受信号打断，使用sleep_on(）和wake_up()），其中深度睡眠一般用于临界区和关键性的部位，而可中断的睡眠就是通用的了，可用于阻塞性系统调用中，如按键等待时，长时间不按时，其他进程可通过信号将它杀时，TASK_ZOMBIE（进程已死，但户口未被注销），TASK_STOPPED（调试使用的，可挂起，收到SIGCONT信号又可恢复继续执行）；

（4）flags反映进程的状态信息，但不是运行状态的，如警告信息，刚被创建，正在关机，fork但没exec，使用了超级权限，dumped core，被一个信号杀死了，正在分配内存，被父亲在mm_release中wake up；除了state，flags还有收到信号但尚未处理的sigpending，调度相关counter，调度相关need_sched，虚存空间上限add_limit，个性Personality（各个不同类UNIX操作系统下，应用范围的使用范围）；应用程序版本差异exe_domian；应用程序文件格式binfmt，进程号pid，进程组session（pgrp，session，leader)，优先级别prioity和实时优先级别rt_priority，调度政策policy，进程组session（parent_exec_id，self_exec_id）；文件操作权限有关（uid，euid，suid，gid，egid，sgid，fsgid）；权限（cap_effective，cap_inheritable，cap_permitted）；user进程所属 的用户，各种资源的使用数量受限制rlim（栈大小，数据大小，地址大小，进程的个数等）；

（5）进程所占有和使用的资源，如mm，active_mm，fs，files，tty，real_timer，times，it_real_value等

（6）per_cpu_utime[]和per_cpu_stime[]表示各个进程在不同CPU上运行于用户空间和系统空间上的累计时间；

（7）页面异常统计字数min_fit，maj_fit，以及换入换出次数nswap等；

（8）当一个进程do_exit()时，将该进程的有关统计信息要合并到父进程中，每项统计信息都有相应的统计信息，如min_fit对应cmin_fit，times对应于tms_utime和tms_cutime等；

（9）表示进程之间的关系，p_ooptr和p_pptr指向父进程的task_struct，p_cptr指向最年轻的子进程，p_ysptr指向其哥哥，p_osptr指向弟弟；从而形成了一个子进程链；

（10）给定一个进程号查找某个task_struct ，为查找时的效率，以计算结果为下标在杂凑表中找到一个队列，在顺着队列找到特定的进程；task_struct *pidhash[PIDHASH_SZ]，PIDHASH_SZ为1024，由于每一个指针4个字节，所以整个杂凑表正好占一个物理页面；task_struct通过pidhash_next和pidhash_pprev链入杂凑表中的某一个队列，统一个队列中所有进程的pid都具有相同的杂凑值；

（11）内核需要对每一个进程做工作时，为方便，组成一个线性队列，第一个进程就为init_task，它是所有进程的总根，是起点；task_struct通过next_task和prev_task将两个指针链入这个线性队列中；

（12）每一个进程必然处于上述的三个队列中，知道进程消亡时才会从这3个队列中移除，所以这三个队列都是静态的；

（13）在运行过程中，一个进程还可以动态的链接（list_head run_list）进可执行队列中接受系统调度；睡眠时还要离开该队列，被唤醒时又链入，调度可能改变一个进程在队列中的位置；