linux进程管理(1)---进程描述符

    linux支持多进程特性，可以最大化的使用cpu资源；用户可以在同一个cpu上运行多个用户程序。多进程的原理是：时钟中断触发进程调度程序，调度程序分时运行多个进程。这就要求每个进程能够保留现场信息（cpu现场、系统资源、调度信息等）。

    linux使用进程描述符数据结构记录现场信息，然后基于进程描述符管理进程，包括进程的创建、调度、消亡等操作。

    本系列文章将详细讲述进程管理相关的知识，内核版本为3.10，发行版为ubuntu12.04。

一、目的

    在介绍进程管理之前，先介绍进程描述符的概念及现场信息，并阐述这些信息的具体含义。

二、进程描述符

    进程不仅仅是运行着的程序，还包括拥有的系统资源、当前cpu现场、调度信息、进程间关系等重要信息，记录这些现场信息的结构就是进程描述符task_struct（可以在include/linux/sched.h中找到定义）。

    每个进程都有一个进程描述符，记录以下重要信息：进程标识符、进程当前状态、栈地址空间、内存地址空间、文件系统、打开的文件、信号量等。

    进程描述符在内存中的存放位置比较有特点。由于系统需要频繁的获取当前进程描述符的地址，为了提高效率，linux巧妙的实现该功能，使用current宏可以快速得到当前进程地址。

    在x86体系中，通过SP寄存器可以快速获取当前进程栈的位置；linux在栈的末端存放了一个特殊的数据结构thread_info，thread_info中存放了指向task_struct的指针。根据这个原理，首先当前进程通过SP寄存器获取栈的位置，然后根据栈大小（一般为1-2页）获取thread_info的地址，最后通过thread_info获取当前进程的地址。

    基于以上分析，进程的内核栈与thread_info存放在同一页内，thread_info与内核栈共享了页。从源代码中可以看出，在分配内核栈的同时也分配了thread_info。

三、进程ID与线程组ID

    linux不严格区分进程与线程，把进程与线程统称为轻量级进程，如果某个轻量级进程是线程组长，那么就是符合POSIX标准定义的进程概念；如果是线程组员，那么就是符合POSIX标准定义的线程概念。

    根据POSIX标准，一个进程内的所有线程的ID就是该进程的ID，线程自己没有独立的线程ID；但是，linux不仅有进程ID，而且给每个线程也分配了线程ID。对于task_struct数据结构的成员来说，pid是线程ID，tgid是线程的进程ID（该进程也叫线程组长）。

    经过上面的分析，就不难理解sys_getpid系统调用获取的是tgid；sys_gettid系统调用获取的是pid。总之，POSIX的进程ID就是tgid成员；POSIX的线程ID就是pid成员。

    linux中有两个特殊的进程：进程0（swapper或者idle）和进程1（init）。系统在初始化时静态建立进程0，并分配了进程ID为0；进程1是进程0创建的第一个进程，所以进程1的进程ID为1。由于这两个进程在系统中的地位比较重要，因此通常称这两个进程为进程0、进程1；隐含的表达了进程0就是swapper、进程1就是init。

四、进程名称

    comm成员记录了当前进程可执行文件的名称，最大长度为16个字节。

五、进程状态

    调度程序根据进程状态决定是否调度进程，linux是哟概念bitmap（位图）表示进程状态，一共有11种状态；这些状态可以分为三类：运行态、睡眠态、退出态。只有运行态的进程才能被调度程序调度；进程等待某个资源时处于睡眠态（可中断态、不可中断态）；进程退出时处于退出态（僵尸态、死亡态）。其他的进程状态还包括停止态、跟踪态等，这些状态处于特定的使用场景中，就不介绍了。

    运行态：进程在cpu上运行或者等待运行。

    睡眠态：睡眠态分为可中断态和不可中断态。进程因为等待某个资源而处于睡眠状态。这两者的区别是不可中断态忽略发送过来的唤醒信号量，因为这个状态的进程获取了重要的系统资源，因此不能被轻易打断，该状态较少使用。

    退出态：退出态分为僵尸态和死亡态。进程完成使命退出后处于僵尸态，此时进程的资源已经被释放，仅仅保留了task_struct结构（父进程可能使用）；而死亡态不仅释放了所有资源，并且连task_struct结构也释放了。

    此外，为了便于记忆，系统给每个状态分配了一个字母缩写“RSDTtZXxKWP”，对应关系如下图所示。

六、进程栈

    linux系统为每个用户进程分配了两个栈：用户栈和内核栈。当一个进程在用户空间执行时，系统使用用户栈；当在内核空间执行时，系统使用内核栈。由于内核栈地址空间的限制，内核栈不会分配很大的空间。此外，内核进程只有内核栈，没有用户栈。

    当进程从用户空间陷入到内核空间时，首先，操作系统在内核栈中记录用户栈的当前位置，然后将栈寄存器指向内核栈；内核空间的程序执行完毕后，操作系统根据内核栈中记录的用户栈位置，重新将栈寄存器指向用户栈。由于每次从内核空间中返回时，内核栈肯定已经使用完毕，所以从用户栈切换到内核栈时，只需要简单的将栈寄存器指向内核栈顶即可，不需要做什么特殊处理。

七、进程运行时间

    因为进程是分时运行的，所以有必要记录每个进程实际占用的cpu时间；进程描述符的utime、stime成员记录微秒、秒级的cpu时间。

    start_time成员记录了创建进程的时间；real_start_time成员记录了启动进程的时间。

八、文件资源

    进程描述符中还记录了和文件相关的信息：文件系统、打开的文件、命名空间等。

    struct fs_struct *fs成员记录了根目录和当前目录信息；struct files_struct *files成员记录了进程当前打开的文件；struct nsproxy *nsproxy成员记录了文件系统的命名空间。

九、进程关系

    进程之间存在父子、线程组、进程组等重要的组织关系。

    task_struct的real_parent指向父进程、parent指向“养父进程“。父进程是实际创建子进程的进程；而“养父进程”是负责处理子进程消亡的进程，在大多数情况下，父进程就是“养父进程“。但是也有例外，例如，当父进程比子进程提前消亡时，父进程会帮子进程重新寻找一个“养父进程”，通常是进程1。children成员是父进程的子进程链表；sibling成员是子进程的兄弟进程链表。

    task_struct的group_leader成员指向线程组长，thread_group成员是线程组长的线程链表。如果，当前线程组只有一个线程，那么该线程的group_leader成员指向自己，并且thread_group为空。

十、总结

    本文介绍了进程描述符数据结构，重点描述了进程资源、调度、组织结构等方面的信息。进程资源信息包括文件系统、地址空间、打开的文件等；调度信息包括进程优先级、当前状态、信号量等；组织结构信息包括进程父子关系、进程组等。

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