Linux0.11内核的进程管理机制

前言：
上一篇讲到Linux内存管理机制，内存管理机制的存在使得cpu和进程可以使用比物理内存大的多的内存空间，这是现代计算机高吞吐量和高可靠性的保障。接下来学习内存管理机制之外的Linux比较重要的几种机制。

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x86架构的CPU执行任务分四个保护级，0级最优先，3优先级最低。Linux内核代码和数据都是0级别，而所有用户进程的优先级都是3级。当用户态进程发生了中断或者调用系统接口时，进程从用户态内陷到内核态执行内核代码，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。

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Linux系统中，任务0–swapper进程是人工启动的第一个程序，它的作用是调度其他进程，并在内核启动的时候做一些初始化工作。任务1是init进程，它是任务0（swapper进程）调用fork创建的进程。此外所有的进程的父进程都是init进程。
Linux0.11同时只允许64个进程存在，是因为Linux通过一个64位的位图来管理进程，一个位表示一个进程的状态，0表示进程不存在，1表示存在，当64个位全部占满，表示系统中没有多余的控制快可以使用。
由于Linux0.11使用的是32位操作系统，因此系统内存最多是2^{32}=4G，而Linux同时允许64个进程存在，因此每个进程可使用的地址空间为4G÷64=64M。而一个页大小是4k，一个页表是1024个页，也就是4M，因此每个进程最多可拥有16个页表。

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区分一下虚拟地址和线性地址：虚拟地址表示进程的可用空间，在Linux0.11中，系统为每个进程最多分配64M。而线性地址空间表示系统虚拟内存的总空间。例如在Linux0.11中线性地址空间为4G。
那么Linux0.11中实际地址是多大呢，由于Linux0.11的系统为32为总线，其中高20位表示页框大小，低12位表示页内偏移。2^20=1M，而2的12次方=4096，所以Linux最多可以使用4G的线性地址空间，而实际的物理地址空间应该是16M。

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Linux系统中的中断机制

可编程中断控制器（PIC）通过连接设备的中断引脚接受设备的中断信号。当PIC接收到多个中断请求的时候，PIC会对它们进行优先级比较并选出最好优先级的中断请求。而当处理器正在执行中断请求的时候，PIC还会将选出来的中断和处理器正在处理的中断进行比较，并根据比较的结果决定是否项处理器发出中断请求。PIC连接处理器的INT引脚，让处理器接收PIC发出的中断信号。而PIC则通过数据总线项处理器发送中断号，处理器根据中断号去中断向量表中查找中断向量，并执行相关的中断服务程序。以上是设备的中断，服务器总共有256个中断支持，大多是软件的中断或异常。

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80x86的中断子系统

x86使用8259A芯片处理中断信号，每个8259A芯片可以处理8个中断。如图所示，8259A芯片通过级联的方式，共可处理15种中断请求。8259A芯片的INT引脚连接到8259A祝芯片的IR2引脚，从芯片的中断信号作为主芯片的输入。

如图所示，主芯片的INT引脚连接CPU芯片的INTR引脚，一旦中断控制器通过中断判优选出中断信号后，通过INTR通知CPU有外部中断需要处理，CPU通过数据线D7-D0获取中断向量，即对应中断服务程序的入口值，然后执行对应的中断服务程序。

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中断向量表

CPU收到从PIC发出的中断信号，并从数据总线得到中断号，然后根据中断信号从中断向量表中查询中断向量。这个过程是怎样实现的呢？
在80X86架构中，每个中断向量大小是4字节，共1024位，其中包含了中断服务程序的段值和段内偏移。我们知道当系统启动的时候ROM BIOS程序会在0地址处设置中断向量表，那么假设中断号是N，那么其中断向量地址就是：0+N*4，即对应中断服务程序的入口地址。

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系统调用

系统调用（syscalls）是用户程序和内核交互的唯一入口，通过调用0x80中断号，并在eax寄存器中传递系统调用的功能号。

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系统定时器

很容易理解，系统定时器使用CPU时钟频率方波的上升沿进行计数，每一个计数称为一个滴答（10ms），英文为jiffies。Linux系统有专门计数滴答数的函数do_time()，当系统定时任务计数响铃后，CPU根据定时任务的优先级进行取舍。如果当前运行的是用户程序，那么CPU中断当前程序转而运行定时任务；而如果当前运行的是内核程序，那么CPU则不会调度程序切换。也就是在CPU执行内核代码时是不可抢占的。CPU时间片也是同样的道理，通过do_time()计数滴答数，jiffies没增加1，CPU时间片时间就相应减少10ms，当CPU时间片减为0时，CPU发生进程切换。

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Linux进程控制

Linux系统通过进程表来管理进程，每个进程在进程表中占有一项。而进程表项是一个task_struct的数据结构，称为任务数据结构，任务数据结构定义在include/linux/sched.h中，称为PCB（processor control block）进程控制块或进程描述符（processor descriptor）。任务数据结构中保存着进程的状态信息、信号、进程号、父进程号、运行时间累计值、正在使用的文件和本任务的局部描述符以及任务状态信息。在Linux中，进程的所有PCB信息都保存在/proc/PID/路径下。

进程运行状态

进程在其生命周期中，会有很多中不同的工作状态，这些状态信息保存在state字段中。Linux系统中，进程的生命周期有：

• 运行态（包括运行中和就绪）
• 可中断睡眠（当系统产生一个中断，或者释放了进程需要的资源，或者进程收到一个信号都可以唤醒进程）
• 不可中断睡眠（需要使用weak_up()强制唤醒）
• 暂停状态（Linux0.11中没有支持暂停状态的转换处理，因此当进程处于暂停状态时，就会被系统当作终止状态处理）
• 僵死状态（进程已经停止运行，但是其父进程还没有调用wait（）询问其状态，就会成为僵死进程。为了能让父进程能够获取其状态信息，僵死进程的任务数据结构还需要保留，知道父进程调用wait询问得到了该进程的信息后，该进程的数据结构才会被释放）。

进程的初始化

• 初始化PCB（进程表项）：包括进程的状态、进程号、父进程号、进程使用的内存、文件描述符等信息。
• 初始化堆栈：进程的堆栈是内核动态分配的，因此在初始化堆栈时需要在堆栈区域中放置进程初始运行的参数、返回地址信息。
• 加载代码和数据：在初始化了堆栈后，进程得到了返回地址信息，这个返回地址信息就是进程需要执行代码的入口地址，进程将代码和数据加载到用户栈中。代码和数据都是从磁盘的可执行文件中加载的，内核会先读取可执行文件的头部信息，确定代码和数据的起始地址和长度，在将代码和数据加载到堆栈中。
• 设置进程的状态：当代码和数据被加载到内存中时，内核就会将进程的状态设置为就绪状态，并将进程加入到就绪队列中，等待调度器调度。

进程切换

schedule（）函数首先扫描任务数组，通过比较每个就绪任务的运行时间递减滴答计数counter值来确定当前哪个进程运行时间最少，counter越大表示进程运行时间短，于是就选中该进程。如果此时task_running状态的进程时间片都已经用完，那么系统会根据每个进程优先权值priority对系统中所有进程重新计算每个进程的时间片值counter。
内核通过上述过程选出一个新的可运行进程，schedule函数就会调用swith_to（）宏执行实际的进程切换操作。首先内核全局变量current置为新任务的指针，然后唱跳转到新任务的状态段TSS中，这会造成CPU切换操作，此时CPU会把旧进程的所有寄存器状态保存到TR寄存器的tss数据结构中，并将新进程的tss数据结构信息回复到CPU中。正式执行新任务。

进程终止

进程通过调用exit（）系统调用来终止进程，调用了exit（）之后，系统会调用内核函数do_exit（）：
1 释放进程的内存和文件描述符
2 将进程状态置为EXIT_ZOMBIE，表示进程已经退出但还没有被父进程回收
3 如果其父进程已经退出，则init进程将变成此进程的父进程，内核回收该进程进程表项和任务数据结构
4 如果其父进程还在运行，那么系统将会发送sigchld信号给其父进程，通知其子进程已经退出，同时保存该进程的状态信息，等待父进程回收
5 父进程调用wait（）或waitpid（）方法来获取子进程退出状态信息，并将该进程资源释放掉。
以下是内核函数do_exit（）方法释放内存和关闭打开的文件的代码片段：

void do_exit(long code)
{
    int i;

    /* 首先，我们需要获取当前进程的进程控制块（PCB） */
    struct task_struct *tsk = current;

    /* 关闭进程所打开的所有文件 */
    for (i = 0; i < NR_OPEN; i++)
        if (tsk->filp[i])
            sys_close(i);

    /* 
     * 接下来，释放进程所占用的所有内存
     * 注意，我们需要释放内核栈、用户栈、代码段和数据段
     */

    /* 释放用户态堆栈所占用的内存 */
    free_page((unsigned long) tsk->start_stack & 0xfffff000);

    /* 释放进程所占用的所有内存页面 */
    for (i = 0; i < MAX_MAPS; i++) {
        if (tsk->mem_map[i]) {
            free_page((unsigned long) tsk->mem_map[i]);
        } else {
            break;
        }
    }

    /* 确保进程的信号处理程序不会被再次调用 */
    tsk->signal = 0;

    /* 将进程的状态设置为“已经停止运行” */
    tsk->state = TASK_ZOMBIE;

    /* 保存进程的退出码 */
    tsk->exit_code = code;

    /* 
     * 最后，唤醒父进程（如果有的话）
     * 并立即进行进程切换
     */

    /* 如果当前进程有父进程，则需要唤醒父进程 */
    if (tsk->father)
        wake_up(tsk->father);

    /* 进程切换 */
    schedule();
}

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总结：本篇主要学了Linux0.11内核中的进程管理，包括从第一个进程的初始化、进程创建、进程调度、进程状态和进程终止。其中第一个进程为进程号是0的swap进程，它主要用来初始化Linux内核以及创建init进程。进程调度时，系统扫描running数组中的任务，选出剩余滴答数最大的进程进行切换，因为滴答数越大代表该进程的运行时间最短。而进程的终止是用户进程调用exit（）系统调用，然后系统调用do_exit（）方法终止进程。