基于Linux進(jìn)程管理的詳細(xì)剖析

上一篇嵌入式未來一段時間還是Linux天下，一位嵌入式er初探Linux kernel經(jīng)驗，我們講到了Linux內(nèi)核開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)，今天我們來講講Linux重點部分Linux的進(jìn)程管理。

OS是干啥的?處理提供對硬件層的抽象以外，還擔(dān)負(fù)著很多的硬件管理功能，而這些功能，用一句話來說，就是來處理各個部件的時空復(fù)用問題(時間和空間的重用問題，如cpu是分時重用的(當(dāng)然還有多核cpu的特例，而內(nèi)存是即分時又分空的……)。

往古至今，大牛們對OS的定義不下其數(shù)，而本人認(rèn)為最有說服力的OS的定義就是：“所有軟件(特指應(yīng)用程序)的交集”，料想計算機誕生初期都是專用機，在一款機器上只能跑訂制的專用程序，而這個程序要自己做好所有硬件的協(xié)調(diào)且還要完成他應(yīng)有的本分工作，慢慢的計算機向通用型發(fā)展，為了提高系統(tǒng)利用率和避免盲目且重復(fù)的底層實現(xiàn)，OS隨著需求一步步形成且不斷完善……

不知你發(fā)現(xiàn)沒有，好多東西都是在歷史舞臺上重復(fù)出現(xiàn)的，仿佛對應(yīng)著“20年后又是一條好漢”這句話，看現(xiàn)在的google的Chrome OS，其實最初的原型說白了就是把chrome瀏覽器必要的底層重新從OS中剝離，使其具有獨立運行的能力，這不是有點最早的專用機的味道，計算機這東西很是神奇，一個好的點子就可能改變整個市場，甚至一個世紀(jì)……

扯遠(yuǎn)了，重新回來，回到復(fù)用性說起吧，因為cpu要跑的程序很多，但是cup個數(shù)有限，這就牽扯到cpu的重用，也就是被多個進(jìn)程重用(進(jìn)程與程序的區(qū)別就不多說了，自己熟悉OS知識去吧，簡單的提一下程序運行的本質(zhì)就是從內(nèi)核申請個進(jìn)程，再把程序包中的代碼拷貝到對應(yīng)進(jìn)程的代碼域并設(shè)置好相關(guān)變量數(shù)據(jù)令進(jìn)程跑起來，所以程序只是靜態(tài)的代碼，而進(jìn)程是一個不斷從程序加載代碼的執(zhí)行過程)，這是由于進(jìn)程間要復(fù)用cpu，所以就要求有人來負(fù)責(zé)他們有組織有紀(jì)律的復(fù)用，并協(xié)調(diào)進(jìn)程間的輕重緩急、切換規(guī)則、切換后的一些處理……

另外還有怎樣生產(chǎn)進(jìn)程、怎樣切換、怎樣銷毀……這些由誰完成?當(dāng)然是OS，對于linux，當(dāng)然是kernel了。畢竟OS就是用來跑程序的，而進(jìn)程就是程序的靈魂，可見進(jìn)程管理的重要性，咱就從進(jìn)程說起先。

雖然吧，進(jìn)程是處于執(zhí)行期的程序，但是要明白，進(jìn)程并不僅僅局限于一段可執(zhí)行的代碼，你想，要想跑進(jìn)程，你得知道是誰的進(jìn)程，要區(qū)別于其他進(jìn)程;還要保證當(dāng)前進(jìn)程不能隨意訪問其他進(jìn)程的地址空間，要是連這都不限制，那寫個黑客程序多隨意啊;還牽扯到多線程問題;另外，由于進(jìn)程間是復(fù)用cpu的，就是一會兒這個執(zhí)行，一會兒換另一個，那你還要保證它可以接著上次的執(zhí)行啊，要不不就亂了套了……如此說來，進(jìn)程需要的東西大概有：

打開的文件

掛起的信號 (linux一個事件的處發(fā)是基于信號機制的，就像windows的事件機制)

內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù) (這就是傳說中恢復(fù)現(xiàn)場用的，要還原到進(jìn)程切換前的狀態(tài)需要保存現(xiàn)場)

處理器狀態(tài) (沒理解錯的話，這也是現(xiàn)場保持的一部分，因為有些程序的執(zhí)行是)

地址空間

一個或多個執(zhí)行線程(Linux下的線程實現(xiàn)非常有趣，也非常簡單，本質(zhì)上也就是幾個共享進(jìn)程，沒有設(shè)置專門的線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))

以上是Linux下進(jìn)程的主要組成部分，當(dāng)然了，進(jìn)程管理么，有了進(jìn)程還要有管理，管理相關(guān)著進(jìn)程的策略和生命周期等一些東西，我們會慢慢講來。

話說很久很久以前，進(jìn)程自創(chuàng)建時刻起就開始存活了，活在Linux世界的進(jìn)程爹fork()系統(tǒng)調(diào)用一下，就會生個小進(jìn)程，比和女兒國的水來的還快。進(jìn)程這東西沒耳朵沒眼睛的，他爹咋知道啥時候生好了。既然fork()是生婆，那這是生婆最懂了。fork()系統(tǒng)調(diào)用會返回兩次：一次回到父進(jìn)程，一次回到子進(jìn)程。

新的進(jìn)程是為了立即執(zhí)行新的不同的程序，而接著調(diào)用exec*()這族函數(shù)就可以創(chuàng)建新的地址空間，并把新的程序載入。(fork()實際上是由clone()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的。)

最終，程序會通過exit()系統(tǒng)調(diào)用退出執(zhí)行。這個函數(shù)會終結(jié)進(jìn)程并將其占用的資源釋放。父進(jìn)程會通過wait4()系統(tǒng)調(diào)用來查詢子進(jìn)程是否終結(jié)，這就使得進(jìn)程擁有了等待特定進(jìn)程執(zhí)行的能力。進(jìn)程退出后被設(shè)置為僵死狀態(tài)，直到父進(jìn)程調(diào)用wait()或waitpid()為止。

知道了進(jìn)程不僅僅是由一段執(zhí)行代碼組成的，咱們就說說linux下的進(jìn)程的大概過程。其實一個進(jìn)程就相當(dāng)于一個軟件的動態(tài)執(zhí)行(嚴(yán)格的說是某個軟件子系統(tǒng)的動態(tài)執(zhí)行，當(dāng)然我們可以把該子系統(tǒng)想象成一個子軟件，這樣會便于理解)。Linux中創(chuàng)建一個進(jìn)程要用到fork()系統(tǒng)調(diào)用,一個子進(jìn)程的生成是通過拷貝父進(jìn)程來實現(xiàn)的。fork以后，會返回兩次：一次回到父進(jìn)程，一次回到子進(jìn)程。為何要返回兩次，兩次又是如何區(qū)別的呢??剛開始我也在像這個問題，因為子進(jìn)程拷貝了父進(jìn)程的代碼，返回時處于fork()返回點的上下文是一樣的，但是返回的值不一樣，借此來區(qū)分是父進(jìn)程還是子進(jìn)程……

這不，新的子進(jìn)程創(chuàng)建好了，然后干什么?肯定是做不是當(dāng)前進(jìn)程的工作，要不創(chuàng)建他干什么?所以，這時候就接著調(diào)用exec*()這一族函數(shù)，該族函數(shù)可以創(chuàng)建新的地址空間，并加載到當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行。

最后，程序通過exit() syscall(系統(tǒng)調(diào)用，以后都用這個代指了) 退出執(zhí)行。這個函數(shù)會終結(jié)進(jìn)程并將其占用的資源釋放掉。父進(jìn)程通過wait4() syscall來查詢子進(jìn)程是否終結(jié)，這使得進(jìn)程擁有了等待特定進(jìn)程執(zhí)行完的能力(這不就是傳說中的同步么?有木有?有木有?哈哈)。進(jìn)程退出后被設(shè)置為僵死狀態(tài)，知道父進(jìn)程調(diào)用wait()或waitpid()為止(其實他們貌似都是基于wait4()實現(xiàn)的)。

上面就是進(jìn)程創(chuàng)建到回收的簡單過程。子進(jìn)程由父進(jìn)程創(chuàng)建，父進(jìn)程回收，有點恢復(fù)現(xiàn)場的感覺，不過在比較安全的系統(tǒng)里面，哪里都可以看的“恢復(fù)現(xiàn)場”等類似概念的身影，就像借錢一樣，“好借好還再借不難”，做程序也是這個道理，哈哈，慢慢體會，編程里面蘊含很多的哲學(xué)道理的。

1、進(jìn)程描述符及任務(wù)結(jié)構(gòu)

在軟件設(shè)計中，第一就是抽象名詞，一切名詞都會在計算機中找到它的數(shù)據(jù)抽象，就是偉大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)童鞋。他可能被抽象成一個變量，一個數(shù)組，一個struct，一個對象……可能是任何一種類型，只要滿足你的需求，他就是最perfect的抽象。

進(jìn)程在kernel中是被放在任務(wù)隊列(task list)中的，task list 是個雙向循環(huán)鏈表。鏈表中的每一項都是task_struct類型，即進(jìn)程描述符。定義在中，包含著一個具體進(jìn)程的所有信息。

1.1 分配進(jìn)程描述符

進(jìn)程有的表達(dá)了，但是不能胡亂表達(dá)啊，就像追女朋友一樣，不能見人就表白，那不成耍流氓了，名額有限，見好就收啊。OS能多道并跑的進(jìn)程也就那幾個，若肆意創(chuàng)建進(jìn)程，不跑癱了機子，那就變成病毒程序了，狂吃cpu。Linux使用slab分配器分配task_struct 結(jié)構(gòu)。由slab動態(tài)生成task_struct，只需在棧底創(chuàng)建一個新的thread_info ，再用這個結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以容易的計算出偏移量。

其中包含了task_struct 的指針和進(jìn)程的相關(guān)信息。

1.2 進(jìn)程描述符的存放

Kernel通過PID唯一標(biāo)識一個進(jìn)程，PID是pid_t類型，其實也是int型的，pid最大值是32768 (short int 的Max 值)?？梢愿钠渲?，在/proc/sys/kernel/pid_max 中，因為大公司的web服務(wù)器集群工作時32768個進(jìn)程多開貌似不夠啊。

內(nèi)核在處理進(jìn)程時一般是直接通過task_struct進(jìn)程的，都是通過current宏直接找到或計算當(dāng)前task_struct的。有的平臺寄存器豐富，不用專門計算其值，一直把當(dāng)前運行進(jìn)程的值保存在專用的寄存器中就OK。如powerPC用r2寄存器，而x86寄存器少要專門計算。

1.3 進(jìn)程狀態(tài)

進(jìn)程一直處于下面五種狀態(tài)之一：

TASK_RUNNING//運行狀態(tài)

TASK_INTERRUPTIBLE//可中斷狀態(tài)

TASK_UNINTRRUPTIBLE//不可中斷狀態(tài)

TASK_ZOMBIE//僵死

TASK_STOPPED//停止

下圖是大概的轉(zhuǎn)換過程。不很詳細(xì)，大家可以search一下……