进程，调度算法,task_struct结构体

一.进程的调度算法

1. 先来先服务 （FCFS，first come first served） 
   在所有调度算法中，最简单的是非抢占式的FCFS算法。 
   算法原理：进程按照它们请求CPU的顺序使用CPU.就像你买东西去排队，谁第一个排，谁就先被执行，在它执行的过程中，不会中断它。当其他人也想进入内存被执行，就要排队等着，如果在执行过程中出现一些事，他现在不想排队了，下一个排队的就补上。此时如果他又想排队了，只能站到队尾去。 
   算法优点：易于理解且实现简单，只需要一个队列(FIFO)，且相当公平 
   算法缺点：比较有利于长进程，而不利于短进程，有利于CPU 繁忙的进程，而不利于I/O 繁忙的进程

2. 最短作业优先（SJF, Shortest Job First） 
   短作业优先（SJF, Shortest Job First）又称为“短进程优先”SPN(Shortest Process Next)；这是对FCFS算法的改进，其目标是减少平均周转时间。 
   算法原理：对预计执行时间短的进程优先分派处理机。通常后来的短进程不抢先正在执行的进程。 
   算法优点：相比FCFS 算法，该算法可改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短进程的等待时间，提高系统的吞吐量。 
   算法缺点：对长进程非常不利，可能长时间得不到执行，且未能依据进程的紧迫程度来划分执行的优先级，以及难以准确估计进程的执行时间，从而影响调度性能。

3. 最高响应比优先法(HRRN，Highest Response Ratio Next) 
   最高响应比优先法(HRRN，Highest Response Ratio Next)是对FCFS方式和SJF方式的一种综合平衡。FCFS方式只考虑每个作业的等待时间而未考虑执行时间的长短，而SJF方式只考虑执行时间而未考虑等待时间的长短。因此，这两种调度算法在某些极端情况下会带来某些不便。HRN调度策略同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。这样，即使是长作业，随着它等待时间的增加，W / T也就随着增加，也就有机会获得调度执行。这种算法是介于FCFS和SJF之间的一种折中算法。 
   算法原理：响应比R定义如下： R =(W+T)/T = 1+W/T 
   其中T为该作业估计需要的执行时间，W为作业在后备状态队列中的等待时间。每当要进行作业调度时，系统计算每个作业的响应比，选择其中R最大者投入执行。 
   算法优点：由于长作业也有机会投入运行，在同一时间内处理的作业数显然要少于SJF法，从而采用HRRN方式时其吞吐量将小于采用SJF 法时的吞吐量。 
   算法缺点：由于每次调度前要计算响应比，系统开销也要相应增加。

4. 时间片轮转算法（RR，Round-Robin） 
   该算法采用剥夺策略。时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。 
   算法原理：让就绪进程以FCFS 的方式按时间片轮流使用CPU 的调度方式，即将系统中所有的就绪进程按照FCFS 原则，排成一个队列，每次调度时将CPU 分派给队首进程，让其执行一个时间片，时间片的长度从几个ms 到几百ms。在一个时间片结束时，发生时钟中断，调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前的队首进程，进程可以未使用完一个时间片，就出让CPU（如阻塞）。 
   算法优点：时间片轮转调度算法的特点是简单易行、平均响应时间短。 
   算法缺点：不利于处理紧急作业。在时间片轮转算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大，因此时间片的大小应选择恰当 

5. 怎样确定时间片的大小：

   时间片大小的确定 
   1.系统对响应时间的要求 
   2.就绪队列中进程的数目 
   3.系统的处理能力

6. 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue) 
   多级反馈队列调度算法是一种CPU处理机调度算法，UNIX操作系统采取的便是这种调度算法。 
   多级反馈队列调度算法描述： 
   　　1、进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。 
   　　2、首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。 
   　　3、对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。 
   　　4、在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。 

   　　在多级反馈队列调度算法中，如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间时，便能够较好的满足各种类型用户的需要。

二.task_struct结构体

1. 在linux中描述进程的结构体叫做task_struct，它是linux内核的一种数据结构，会被装载在RAM（内存）中并包含着进程的信息。

2. 那什么是进程呢？ 进程就是程序动态运行的实例，它是承担分配系统资源的实体。我们也可以把进程当成是由一组元素组成的实体，进程的两个基本的元素时程序代码和与代码相关联的数据集合。在进程执行时，都可以被表征为一下元素（task_struct内容分类）：

3.     1.标识符：与进程相关的唯一标识符，用来区别正在执行的进程和其他进程。
       2.状态：描述进程的状态，因为进程有挂起，阻塞，运行等好几个状态，所以都有个标识符来记录进程的执行状态。
       3.优先级：如果有好几个进程正在执行，就涉及到进程被执行的先后顺序的问题，这和进程优先级这个标识符有关。
       4.程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
       5.内存指针：程序代码和进程相关数据的指针。
       6.上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。
       7.I/O状态信息：包括显示的I/O请求，分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表等。
       8.记账信息：包括处理器的时间总和，记账号等等。

   有关进程信息还有以下三点需要了解：

   1>保存进程信息的数据结构叫做 task_struct，可以在 include/linux/sched.h 中找到它；
   2>所有运行在系统中的进程都以 task_struct 链表的形式存在内核中； 
   3>进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。大多数进信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

4. 僵尸进程和孤儿进程

1. //僵尸进程代码
   #include
   #include
   #include
   #include
   
   int main(){
           pid_t pid=fork();
           if(pid<0){
                   perror("fork");
                   return 1;
   }
           else if(pid>0){
                   printf("parent[%d] is sleeping...\n",getpid());
                   sleep(20);
   }
           else{
                   printf("child[%d] is begin Z...\n",getpid());
                   sleep(5);
                   exit(1);
   }
           return 0;
   }

   //孤儿进程代码
   #include
   #include
   #include
   #include
   
   int main(){
           pid_t pid=fork();
           if(pid<0){
                   perror("fork");
                   return 1;
   }
           else if(pid==0){
                   printf("I am child,pid: %d\n",getpid());
                   sleep(10);
   }
           else{
                   printf("I am parent,pid :%d\n",getpid());
                   sleep(2);
                   exit(0);
   }
           return 0;
   }

三.浅析task_struct结构体

1.进程的状态

    volatile long state；   

   state的可能取值为：

#define TASK_RUNNING        0//进程要么正在执行，要么准备执行
#define TASK_INTERRUPTIBLE  1 //可中断的睡眠，可以通过一个信号唤醒
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2 //不可中断睡眠，不可以通过信号进行唤醒
#define __TASK_STOPPED      4 //进程停止执行
#define __TASK_TRACED       8 //进程被追踪
/* in tsk->exit_state */ 
#define EXIT_ZOMBIE     16 //僵尸状态的进程，表示进程被终止，但是父进程还没有获取它的终止信息，比如进程有没有执行完等信息。                     
#define EXIT_DEAD       32 //进程的最终状态，进程死亡
/* in tsk->state again */ 
#define TASK_DEAD       64 //死亡
#define TASK_WAKEKILL       128 //唤醒并杀死的进程
#define TASK_WAKING     256 //唤醒进程

2.进程的唯一标识(pid)

pid_t pid;//进程的唯一标识
pid_t tgid;// 线程组的领头线程的pid成员的值

在Linux系统中，一个线程组中的所有线程使用和该线程组的领头线程（该组中的第一个轻量级进程）相同的PID，并被存放在tgid成员中。只有线程组的领头线程的pid成员才会被设置为与tgid相同的值。注意，getpid()系统调用返回的是当前进程的tgid值而不是pid值（线程是程序运行的最小单位，进程是程序运行的基本单位。

3.进程的标记

unsigned int flags; //flags成员的可能取值如下
 
//进程的标志信息
#define PF_ALIGNWARN    0x00000001    /* Print alignment warning msgs */
                    /* Not implemented yet, only for 486*/
#define PF_STARTING    0x00000002    /* being created */
#define PF_EXITING    0x00000004    /* getting shut down */
#define PF_EXITPIDONE    0x00000008    /* pi exit done on shut down */
#define PF_VCPU        0x00000010    /* I'm a virtual CPU */
#define PF_FORKNOEXEC    0x00000040    /* forked but didn't exec */
#define PF_MCE_PROCESS  0x00000080      /* process policy on mce errors */
#define PF_SUPERPRIV    0x00000100    /* used super-user privileges */
#define PF_DUMPCORE    0x00000200    /* dumped core */
#define PF_SIGNALED    0x00000400    /* killed by a signal */
#define PF_MEMALLOC    0x00000800    /* Allocating memory */
#define PF_FLUSHER    0x00001000    /* responsible for disk writeback */
#define PF_USED_MATH    0x00002000    /* if unset the fpu must be initialized before use */
#define PF_FREEZING    0x00004000    /* freeze in progress. do not account to load */
#define PF_NOFREEZE    0x00008000    /* this thread should not be frozen */
#define PF_FROZEN    0x00010000    /* frozen for system suspend */
#define PF_FSTRANS    0x00020000    /* inside a filesystem transaction */
#define PF_KSWAPD    0x00040000    /* I am kswapd */
#define PF_OOM_ORIGIN    0x00080000    /* Allocating much memory to others */
#define PF_LESS_THROTTLE 0x00100000    /* Throttle me less: I clean memory */
#define PF_KTHREAD    0x00200000    /* I am a kernel thread */
#define PF_RANDOMIZE    0x00400000    /* randomize virtual address space */
#define PF_SWAPWRITE    0x00800000    /* Allowed to write to swap */
#define PF_SPREAD_PAGE    0x01000000    /* Spread page cache over cpuset */
#define PF_SPREAD_SLAB    0x02000000    /* Spread some slab caches over cpuset */
#define PF_THREAD_BOUND    0x04000000    /* Thread bound to specific cpu */
#define PF_MCE_EARLY    0x08000000      /* Early kill for mce process policy */
#define PF_MEMPOLICY    0x10000000    /* Non-default NUMA mempolicy */
#define PF_MUTEX_TESTER    0x20000000    /* Thread belongs to the rt mutex tester */
#define PF_FREEZER_SKIP    0x40000000    /* Freezer should not count it as freezeable */
#define PF_FREEZER_NOSIG 0x80000000    /* Freezer won't send signals to it */

4.进程间的亲属关系

struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
struct list_head children;    /* list of my children */
struct list_head sibling;    /* linkage in my parent's children list */
struct task_struct *group_leader;    /* threadgroup leader */

在Linux系统中，所有进程之间都有着直接或间接的联系，每个进程都有其父进程，也可能有零个或多个子进程。拥有同一父进程的所有进程具有兄弟关系。

• real_parent指向其父进程，如果创建它的父进程不再存在，则指向PID为1的init进程。 
• parent指向其父进程，当它终止时，必须向它的父进程发送信号。它的值通常与 real_parent相同。 
• children表示链表的头部，链表中的所有元素都是它的子进程（进程的子进程链表）。 
• sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中（进程的兄弟链表）。 
• group_leader指向其所在进程组的领头进程。

5.进程的调度信息

int prio, static_prio, normal_prio;
 unsigned int rt_priority;
 const struct sched_class *sched_class;
 struct sched_entity se;
 struct sched_rt_entity rt;
 unsigned int policy;

实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1（即100到139）。值越大静态优先级越低。

static_prio用于保存静态优先级，可以通过nice系统调用来进行修改。 
rt_priority用于保存实时优先级。 
normal_prio的值取决于静态优先级和调度策略(进程的调度策略有：先来先服务，短作业优先、时间片轮转、高响应比优先等等的调度算法) 
prio用于保存动态优先级。 
policy表示进程的调度策略，目前主要有以下五种：

#define SCHED_NORMAL        0//用于普通进程，按照优先级进行调度（CFS调度器实现）
#define SCHED_FIFO        1//先进先出的调度算法（实时调度策略）
#define SCHED_RR        2//时间片轮转的调度算法（实时调度策略）
#define SCHED_BATCH        3//用于非交互的处理机消耗型的进程
#define SCHED_IDLE        5//系统负载很低时的调度算法
#define SCHED_RESET_ON_FORK     0x40000000

6.ptrace系统调用

unsigned int ptrace;  
struct list_head ptraced;  
struct list_head ptrace_entry;  
unsigned long ptrace_message;  
siginfo_t *last_siginfo;      /* For ptrace use.  */  
ifdef CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT  
atomic_t ptrace_bp_refcnt;  
endif  

 成员ptrace被设置为0时表示不需要被跟踪，它的可能取值如下：

/* linux-2.6.38.8/include/linux/ptrace.h */  
#define PT_PTRACED  0x00000001  
#define PT_DTRACE   0x00000002  /* delayed trace (used on m68k, i386) */  
#define PT_TRACESYSGOOD 0x00000004  
#define PT_PTRACE_CAP   0x00000008  /* ptracer can follow suid-exec */  
#define PT_TRACE_FORK   0x00000010  
#define PT_TRACE_VFORK  0x00000020  
#define PT_TRACE_CLONE  0x00000040  
#define PT_TRACE_EXEC   0x00000080  
#define PT_TRACE_VFORK_DONE 0x00000100  
#define PT_TRACE_EXIT   0x00000200  

7. 时间数据成员

关于时间，一个进程从创建到终止叫做该进程的生存期，进程在其生存期内使用CPU时间，内核都需要进行记录，进程耗费的时间分为两部分，一部分是用户模式下耗费的时间，一部分是在系统模式下耗费的时间.

cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
    cputime_t gtime;
    cputime_t prev_utime, prev_stime;//记录当前的运行时间（用户态和内核态）
    unsigned long nvcsw, nivcsw; //自愿/非自愿上下文切换计数
    struct timespec start_time;  //进程的开始执行时间    
    struct timespec real_start_time;  //进程真正的开始执行时间
    unsigned long min_flt, maj_flt;
    struct task_cputime cputime_expires;//cpu执行的有效时间
    struct list_head cpu_timers[3];//用来统计进程或进程组被处理器追踪的时间
    struct list_head run_list;
    unsigned long timeout;//当前已使用的时间（与开始时间的差值）
    unsigned int time_slice;//进程的时间片的大小
    int nr_cpus_allowed;

8.信号处理信息

struct signal_struct *signal;//指向进程信号描述符
    struct sighand_struct *sighand;//指向进程信号处理程序描述符
    sigset_t blocked, real_blocked;//阻塞信号的掩码
    sigset_t saved_sigmask;    /* restored if set_restore_sigmask() was used */
    struct sigpending pending;//进程上还需要处理的信号
    unsigned long sas_ss_sp;//信号处理程序备用堆栈的地址
    size_t sas_ss_size;//信号处理程序的堆栈的地址

9.文件系统信息

/* filesystem information */
    struct fs_struct *fs;//文件系统的信息的指针
/* open file information */
    struct files_struct *files;//打开文件的信息指针

以下是对task_struct的定义及注释：

struct task_struct {
volatile long state;  //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
unsigned long flags;  //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
int sigpending;    //进程上是否有待处理的信号
mm_segment_t addr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
                        //0-0xBFFFFFFF for user-thead
                        //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
volatile long need_resched;
int lock_depth;  //锁深度
long nice;       //进程的基本时间片
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
int processor;
//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
unsigned long sleep_time;  //进程的睡眠时间
//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages;       //指向本地页面      
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal;     //父进程终止时向子进程发送的信号
unsigned long personality;
//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
int did_exec:1; 
pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
pid_t session;  //进程的会话标识
pid_t tgid;
int leader;     //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
struct list_head thread_group;   //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
 
//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value
//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
//it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
//当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
//信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
//状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
//it_virt_incr重置初值。
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
struct tms times;      //记录进程消耗的时间
unsigned long start_time;  //进程创建的时间
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; 
//内存缺页和交换信息:
//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
//设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
//在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
//进程认证信息
//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
//euid，egid为有效uid,gid
//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
//系统的访问权限时使用他们。
//suid，sgid为备份uid,gid
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
unsigned short used_math;   //是否使用FPU
char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
 //文件系统信息
int link_count, total_link_count;
//NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//进程间通信信息
struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
//进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
struct thread_struct thread;
  //文件系统信息
struct fs_struct *fs;
  //打开文件信息
struct files_struct *files;
  //信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig; //信号处理函数
sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
 
spinlock_t alloc_lock;
void *journal_info;
};

参考链接http://blog.csdn.net/peiyao456/article/details/54407343

 

 

 

 

 

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