【操作系统内核】进程

【操作系统内核】进程

进程的组成

进程的运行，需要考虑 磁盘 => 内存 => CPU => 内核 => 进程切换 这个过程

1. 首先，程序运行要将可执行文件加载到内存，所以进程要读取可执行文件(运行后可能还需要读取其他文件的数据)，需要知道：

① 文件系统的信息，fs_struct

② 打开的文件的信息，files_struct

2. 其次，进程要访问内存，Linux要求它有一块自己的虚拟地址空间，所以进程中需要有一个mm_struct实例:

① vm_area_struct：内存映射，如mmp

② 页表：pgd存储页表目录的地址

3. 程序加载到内存后，CPU需要知道下一条执行指令的内存地址，这个内存地址存储在CPU的程序计数器中; 此外，进程还需要其他，CPU寄存器的值，也就是CPU上下文（也称为CPU的硬件上下文），包括:

① 指令指针寄存器 (eip/rip): 存储进程的下一条指令

② 通用寄存器
eax、ebx、ecx、edx、esp、ebp、esi、edi(32位)
rax、rbx、rcx、rdx、rsp、rbp、rsi、rdi(64位)

③ 段寄存器
cs、ds、ss、es、fs、gs

④ 标志寄存器

4. 每个进程都在运行在用户态和内核态，为实现CPU的上下文切换，每个进程都应该有:

① 一个用户栈

② 一个内核栈

进程的运行流程，无非就是函数链的调用，每调用一次函数，就把函数压栈；但是有一个特殊情况，就是用户态的函数调内核态的函数，如用户态函数c()调用内核态函数d()，将发生第一次CPU上下文切换

此时，内核需要将用户态的信息（通过pt_regs这个结构保存）保存到内核态的函数栈的底端,包含：

① 用户态栈顶指针、系统调用方法参数：调用系统函数的函数

② 用户态栈顶指令指针: 用户态执行的下一个指令

③ 通用寄存器

然后，将函数d()压入内核态函数栈

当内核函数调用完成后，将恢复用户态信息，发生第二次CPU上下文切换

5. 调度信息

一个CPU核只能运行一个进程，但如果我要运行的程序多于CPU核，将采用
时分共享的方式：一个进程运行一段时间后，切换到另一个进程运行，使得每个进程都觉得自己拥有一个CPU

而要实现进程切换，就需要内核决定切换的策略，假设只有一个CPU并在运行某一个进程，首先，在进程切换时，内核的调度程序需要拿到CPU的执行权限。

时分共享策略通过产生一个时钟中断，使得内核态能去调度其他进程

两个进程切换过程（详细过程见参考链接）：
① 切换CPU上下文，如CPU的rip指针应该指向第二个进程的下一条执行指令
② 切换虚拟地址空间，如切换页表
③ 切换内核栈

而内核调度器去调度进程时，需要根据进程的调度信息（如调度算法、优先级等）去调度

据此，可以将进程抽象为结构体task_struct

当然，这里只讲述一些基础的信息，task_srtrcut的组成不止如此

进程的数据结构

除了上面讲到的组成，信息处理也是进程数据结构中重要的组成：

// 0. 标志信息
pid_t pid;
pid_t tgid;
struct task_struct *group_leader;

// 1. 文件和文件系统
struct fs_struct  *fs;
struct files_struct  *files;

// 2. 内存管理
struct mm_struct *mm;

// 3. 内核栈
struct thread_info    thread_info;
void  *stack;

// 4. 调度信息
//调度器类
const struct sched_class  *sched_class;
//调度实体
struct sched_entity    se;
struct sched_rt_entity    rt;
struct sched_dl_entity    dl;
//调度策略
unsigned int      policy;
//可以使用哪些CPU
int  nr_cpus_allowed;
cpumask_t  cpus_allowed;
struct sched_info sched_info;
//是否在运行队列上
int   on_rq;
//优先级
int   prio;
int   static_prio;
int   normal_prio;
unsigned int  rt_priority;

// 5.运行统计信息
u64        utime; //用户态消耗的CPU时间
u64        stime; //内核态消耗的CPU时间
unsigned long      nvcsw;//自愿(voluntary)上下文切换计数
unsigned long      nivcsw;//非自愿(involuntary)上下文切换计数
u64        start_time; //进程启动时间，不包含睡眠时间
u64        real_start_time; //进程启动时间，包含睡眠时间

// 6. 信号处理
struct signal_struct    *signal;
struct sighand_struct    *sighand;
sigset_t  blocked;
sigset_t  real_blocked;
sigset_t  saved_sigmask;
struct sigpending  pending;
unsigned long   sas_ss_sp;
size_t  sas_ss_size;
unsigned int  sas_ss_flags;

// 7.进程状态
volatile long state;
int exit_state;
unsigned int flags;

// 8.亲缘关系
struct task_struct __rcu *real_parent;
struct task_struct __rcu *parent;
struct list_head children;
struct list_head sibling;
 
// 9.进程权限
const struct cred __rcu *real_cred;         
const struct cred __rcu  *cred;
...

0、1、2号进程

计算机在启动时，会先运行0号进程（idle进程），建立它的堆栈，并运行它：

① 配置实时时钟

② 挂载根文件系统

③ 创建 1 号进程（init 进程）

④ 创建 2 号进程 （kthreadd进程）

0号进程

内核进程：只运行在内核态，只能用大于PAGE_OFFSET的虚拟地址空间（只使用内核态的虚拟地址空间）

普通进程：可运行在内核态和用户态，可以使用所有虚拟地址空间（在内核态使用内核态地址空间，在用户态使用用户态地址空间）

0号进程是一个内核进程，也只有没有任何可运行的进程时，才会运行0号进程

1号进程

共享0号进程的所有数据结构，一开始是内核进程，先执行init()函数完成内核初始化，然后调用exec()装入可执行程序init，变成一个普通进程

它是所有用户态进程的祖先

2号进程

kswapd: 一直在后台运行，执行物理页面的回收，交换出不用的页帧（将最近不用的内存块移动到磁盘）

pdflush：刷新 “脏” 缓冲区的内容到磁盘以回收内存

是所有内核进程的祖先

进程间的关系

除了 0 号进程，一个进程都是由一个父亲进程创建

如果一个进程创建了多个进程，那么子进程之间是兄弟关系

task_struct中维护节点关系的字段：

• parent：指向其父进程。当它终止时，必须向它的父进程发送信号
• children： 表示链表的头部。链表中的所有元素都是它的子进程。
• sibling： 用于把当前进程插入到兄弟链表中。
• real_parent 和 parent：
  • 通常情况下，real_parent 和 parent 是一样的，但是也会有另外的情况存在
  • bash 创建一个进程，那进程的 parent 和 real_parent 就都是 bash。
  • 如果在 bash 上使用 GDB 来 debug 一个进程，这个时候 GDB 是 parent，bash 是这个进程的 real_parent。

如登录一个linux的shell终端，会先创建一个sshd的进程，sshd进程才创建一个pts进程，pts进程再创建一个bash进程，如果在这个bash去拉起一个进程（如ps -ef、ls这些命令就会拉起一个进程，通过which ls命令可查看ls的可执行文件路径），
那么这个进程的父进程就是这个bash，关闭这个bash后，它的所有子进程都会被kill

内核将task_struct之间通过双向链接的形式组织，后续fork的进程插入链表的表尾：

进程的创建

比如我们写一段代码，生成可执行文件，然后在bash上运行，则这个进程属于bash进程的一个子进程：

内核调用sys_fork()创建一个进程并加入到双向链表

sys_fork()的本质: 在内核创建一个task_struct实例（拷贝父进程的task_struct），然后将之维护到各种链表队列（用于管理或调度进程）

1. 第一次系统调用：

• bash调用fork()陷入内核态

  • 进入父进程保存用户态寄存器、程序计数器的值到内核栈
  • 从slab分配器中分配一个task_struct实例，创建子线程内核栈，拷贝父进程内核栈并设置thread_info
  • 拷贝父进程的实例，调度信息，进程运行信息等，创建进程时主要关注mm_struct
  

• 拷贝完成后，分配PID，建立进程亲缘关系，将task_struct加入进程链表，

• 创建进程完成，唤醒新线程（task_running）

2. 第二次系统调用：

• 子进程被唤醒后，调用execvp()加载磁盘上的可执行文件，由于磁盘IO操作需要内核态完成，所以需要再次陷入内核态

• 内核态调用load_elf_binary()加载代码段和数据段到内存，最主要的是设置子进程的虚拟地址空间

  • 修改mmp
  • 初始化函数栈（会比父进程的小）
  • 将可执行文件的代码部分映射到内存（写时复制，内存映射，因为代码段是进程私有的，不能共享）
  
  • 设置堆的brk以及堆的vm_area_struct（堆也会比较小）
  • 将依赖的so映射到内存中的内存映射区域

• 由于内核栈相同，切换会用户态后，子进程的rip指针和父进程的rip指针会指向同一行指令，且执行的代码段也相同，需要根据pid是否等于0区分父进程或子进程

Tip:

exec()函数：