linux进程管理(2)---进程的组织结构

一、目的

    linux为了不同的进程管理目的，使用了不同的方法组织进程之间的关系，为了体现进程创建关系，使用了父子关系；为了区分进程和线程，使用了进程组；为了快速查找某个进程，使用了哈希表；为了进程调度，使用了运行队列、等待队列，将不同运行状态的进程放入不同的队列中。

    本文将讲述进程间各种方式及特点。

二、父子关系、兄弟关系

    task_struct的 real_parent成员指向父进程，parent成员指向“养父进程”；children成员表示该进程的子进程链表；sibling成员表示该进程的兄弟进程链表。

    系统启动后创建了第一个进程：进程0（swapper，也叫idle），进程0创建了第一个用户进程（进程1/sbin/init）和第一个内核进程（进程2kthreadd），之后进程0进入idle状态，当没有进程可以被调度的时候运行该进程，不做具体的事情。

    进程1的主要作用是处理僵尸进程。当某个父进程比子进程提前消亡时，父进程会给子进程重新寻找“养父进程”，一般就是进程1，由进程1负责处理该子进程的消亡。

    当创建一个新进程时，新进程的父进程为当前进程或者线程，并且把新进程加入到父进程的子链表中。如果使用CLONE_THREAD标志创建一个新进程时，新进程的父进程为当前进程或线程的父进程，并且把新进程加入到父进程的子链表中。

    当使用CLONE_THREAD标志创建一个新线程时，新线程的父进程为当前线程组长的父进程（保证线程组内所有线程的父进程相同），所以线程组看起来像是一个独立的进程。此时，因为创建的是线程，所以不需要把新线程加入到任何子链表中（进程才涉及到子链表和兄弟链表，而线程不涉及）。

    下面举个例子：进程100创建了新进程101；进程101使用CLONE_THREAD标志创建了新线程102；线程102使用CLONE_PARENT标志创建了新进程103；线程102使用CLONE_THREAD标志创建了新线程104；线程104创建了新进程105。

    从图中看出，不管是谁创建一个新线程，那么新线程的父进程永远是线程组长的父进程；不管是谁创建了一个新进程，新进程的父进程永远是当前进程或线程；如果使用了CLONE_PARENT标志，那么新进程与当前进程是兄弟关系，与当前进程拥有相同的父进程。

    使用ps命令的-H参数可以显示进程之间的父子关系或者也可以使用pstree命令。

三、线程组

    每个线程组都会指定一个线程组长；线程使用group_leader指向线程组长；同时，线程组长使用thread_group将线程链接起来。

    当创建一个新进程时，新进程独自组成了一个线程组并且承担线程组长。

    当使用CLONE_THREAD标志创建一个新线程时，新线程的线程组长为当前进程或线程的线程组长。

    下面举个例子，进程100创建了新进程101；进程101创建了新线程102；线程102创建了新线程103。从图中可以看出，新进程是线程组的组长；一个线程组内的所有线程拥有同一个线程组长。

    使用ps命令的-eLf参数可以查看线程组关系，显示结果中PID表示线程组ID（注意，此时PID的含义是tgid）、PPID表示父进程ID、LWP表示线程ID（此时PID的含义是pid）、NLWP表示线程组中线程的个数。

四、哈希表

    为了快速查找某个进程，系统将所有进程连接在一个全局的链表中，表头是init进程的tasks成员；当一个进程被创建时，会将该进程的tasks成员链接到init进程的tasks中。

    所以，从当前进程出发，向上寻找父进程，一直找到init进程为止；那么就可以从init进程的tasks成员链表找到任意一个进程。

    使用ps命令的-AL参数可以显示所有进程，包括轻量级进程。

五、运行队列、等待队列

    调度程序使用运行队列和等待队列管理进程的调度，处于运行队列中的进程满足调度条件，随时等待调度程序将其放入cpu运行；处于等待队列中的进程由于缺乏某个资源而睡眠，当条件满足时被放入运行队列中。

    运行队列管理的是处于运行态的进程，等待队列管理的是睡眠态的进程（可中断态和不可中断态），其他状态的进程（退出态、停止态等）因为和系统调度无关，所以不会放入队列中管理。因此，只有运行态和睡眠态的进程才会被放入队列中。

    处于运行态的进程具有不同优先级，根据优先级又可以把进程放到不同优先级的运行队列中。

    等待队列是linux比较常用的数据结构，在很多地方都使用该结构，例如：中断处理、进程同步等场景。处于睡眠态的进程可能因为不同的事件而阻塞，所以根据事件类型又可以把进程放到不同事件的等待队列中。

六、全景视图

    为了有个直观的感受，给出一幅进程组织关系的全景视图。

    从图中可以看出，进程idle有两个孩子kthreadd和init；进程init有一个孩子ksyslogd，并且这个孩子是进程组长，除了组长还有两个线程：线程845和线程887；此时，有一个等待队列，队列中有两个成员，分别指向了进程845、进程887。

七、总结

    为了管理进程的创建、消亡（处理僵尸进程等操作）使用了父子、兄弟关系；为了统一处理同一信号量，使用线程组关系；为了方便全局查找，使用了哈希表关系；为了调度程序，使用了运行队列、等待队列数据结构。

    我们不仅要掌握这些进程组织关系的具体含义，更重要的是思考linux精心设计这些组织关系背后的“驱动力”和技巧。

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