运维工程师技能树-基础知识之操作系统篇（进程管理）

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运维工程师所需基础技能大体包含但不限于以下

1. 操作系统
2. 网络
3. 常用开源组件
4. 数据库
5. 多语言编程技能
6. 基础安全

越是复杂的场景，对于问题的分析能力以及基本功的要求越高，因此需要深入理解和熟练掌握。

操作系统：

1. 进程管理

• 核心数据结构-进程表

       首先进程是什么，进程是已经“跑起来”的程序，基本所有操作系统的教科书都会对进程和程序的区别大讲特讲。执行的脚本，运行的服务等都是进程。操作系统会为每个进程创建一个对象，每个进程对象分配一个进程id，叫做pid，相当于每个进程的身份证号，是进程的唯一标识。这个对象在实现上是一个结构体，这个结构体囊括了所有该进程所需要的所有属性和资源，包括程序运行的各个寄存器值，状态，内存指针，打开的文件描述符等等。当你执行一个程序时，操作系统会初始化一个这样的进程对象，然后为其分配所需的资源，并将这个进程对象作为一个表项挂到进程表上。

        进程表是一个链表，每个进程是这个链表上的一个结点，但是我们知道链表是不支持索引操作的，因此如果我们需要通过pid来查进程的信息就需要遍历整个进程表，效率比较低。为了解决这个问题，内核实现上为pid到进程对象又增加了一张hash表，这样就可以在常数时间内通过pid找到具体的进程了。这个设计很多人会迷惑，既然通过pid查找进程对象是一个常规操作，为什么在数据结构的选择上，进程表不采用数组而是采用链表+hash表呢？如果采用数组，则数组的长度应该设置为系统的最大进程数，这个值是非常难以确定的，如果设定太小，则会面临有时分配不出进程的情况。如果设定的太大，则内存资源又比较浪费，采用链表+hash表可以说是解决这个问题比较优雅的方式了。

        在进程对象的查找上除了通过pid索引的方式外，还支持通过亲属关系进行查找的方法，每个进程对象保存了孩子链表的指针和兄弟链表的指针，每个进程可以通过遍历孩子链表找到自己所有子进程。

       至此，我们已经看到了操作系统对于进程管理的核心数据结构-进程表，进程管理的工作抽象来看就是增删改查这个核心进程表，当然这只是一种便于理解但却不够严谨的解释，事实上的工作和细节非常之多。这里的介绍略过了很多操作系统设计上的细节，比如对于pid，当前的操作系统已经不是简单的在进程对象中以一个数字来标记，而是通过一个较为复杂的映射机制，映射出来的。对于pid的分配，内核的做法也与我们平时编程的惯用做法不相同，考虑到内存资源的利用及id复用，操作系统的pid分配器是基于位图来实现的。不过这些知识对于主干知识来讲，都算是支线，在搭建起基本的概念框架后再进行局部填充，这里不去进一步讨论，避免过早陷入细节。

• 进程调度

        什么是进程调度，为什么要进程调度？进程调度就是内核决定把CPU拿给哪个进程使用的决策过程，由于CPU总是稀缺资源，为了有序高效的使用CPU，内核需要对它们进行调度。这里主要从2个方向进行说明，一个是调度的机制，另一个是调度的算法。调度机制说明内核是如何实现调度的，调度算法是说明内核如何计算出下一个可以占用CPU的进程是谁。

        进程调度机制，进程调度机制的最底层实现其实就是对寄存器的保存和更新，这个过程叫做上下文切换content switch，每个进程会将自己的运行现场保存在自己的task_struct对象里，操作系统只需要将上一个进程的运行现场保存到它的task_struct里，然后拿下一个进程的现场塞进寄存器即可，当然中间还会有一些细节。这个过程和函数调用有点类似，都需要保存现场和加载新的代码运行，不同的是函数调用的现场是保存在进程的栈上，且这个过程操作系统完全不需要参与。这个是对调度机制的一个最简化抽象，实际的实现要复杂很多，linux的调度器结构如下

主调度器和周期性调度器统称核心调度器，主调度器完成直接调度，比如进程的主动让出cpu，周期性调度器对进程进行周期性扫描以观察是否有进程需要切换。核心调度器调用调度器类得知下一个要运行的进程是谁，然后执行具体的进程切换工作。调度器类用于实现不同的调度算法，这样策略和机制就完美分开了。

        进程调度算法，linux支持完全公平调度类和实时调度类两大类调度算法，完全公平调度算法以进程的运行时间作为key然后进行排队，消耗小的排在队列的前面。优先级不同的任务，虚拟时间的增长不同，优先级高的涨的慢，这样它运行完后根据消耗时间来排序，它可以插队到前面，马上又获得CPU来运行。实时调度类主要是两种算法，RR和FIFO，分别根据时间片轮转来获得CPU，优先级高的可以抢占优先级低的。FIFO则是每个进程要运行到自己放弃CPU为止。