基于Linux进程模型分析

Posted 2020-11-02 jmu1079

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于Linux进程模型分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

操作系统是怎么组织进程的

什么是进程
　　进程是处于执行期的程序以及它所包含的所有资源的总称，包括虚拟处理器，虚拟空间，寄存器，堆栈，全局数据段等。

　　在Linux中，每个进程在创建时都会被分配一个数据结构，称为进程控制块。进程控制块中包含了很多重要的信息，供系统调度和进程本身执行使用。而进程的用户空间主要存储代码和数据。
进程的创建
进程是通过调用::fork()，::vfork()和::clone()系统调用创建新进程，而且都是通过调用do_fork来实现进程的创建。

　　三者的区别如下：
- ::fork()：父进程的所有数据结构都会复制一份给子进程。
- ::vfork()：只复制task_struct和内核堆栈，所以生成的只是父进程的一个线程。
- ::clone()：::clone()可以让你有选择性的继承父进程的资源，既可以选择像::vfork()一样和父进程共享一个虚拟空间，从而使创造的是线程，你也可以不和父进程共享，你甚　　至可以选择创造出来的进程和父进程不再是父子关系，而是兄弟关系。
进程的退出

　　　进程通过调用exit()退出执行，这个函数会终结进程并释放所有的资源。父进程可以通过wait4()查询子进程是否终结。进程退出执行后处于僵死状态，直到它的父进程调用wait()或者waitpid()为止。父进程退出时，内核会指定线程组的其他进程或者init进程作为其子进程的新父进程。　

进程状态如何转换（给出进程状态转换图）

三种基本状态：

　　　　运行态：进程占用CPU，并在CPU上运行；

　　　就绪态：进程已经具备运行条件，但是CPU还没有分配过来；

　　阻塞态：进程因等待某件事发生而暂时不能运行；

　　　状态转换图：

进程之间的转换过程：

运行---》就绪：这是有调度引起的，主要是进程占用CPU的时间过长
        就绪---》运行：运行的进程的时间片用完，调度就转到就绪队列中选择合适的进程分配CPU
运行---》阻塞：发生了I/O请求或等待某件事的发生
阻塞---》就绪:进程所等待的事件发生，就进入就绪队列
         阻塞--》运行：即使给阻塞进程分配CPU，也无法执行，操作系统載进行调度时不会載阻塞队列进行挑选，其调度的选择对象为就绪队列：
        就绪--》阻塞：因为就绪态根本就没有执行

进程是如何调度的

进程的优先级

　　　　进程提供了两种优先级，一种是普通的进程优先级，第二个是实时优先级，前者使用SCHEED_NORMAL调度策略，后者可选SCHED_FIFO或SCHED_rr调度。任何时候，实时进程的优先级都高于普通进程，实时进程只会被更高级的实时进程抢占，同时实时进程之间是按照FIFO（一次机会做完）或者RR（多次轮转）规则调度的。

　　2. 主调度器schedule

　　　　schedule就是主调度器的工作函数, 在内核中的许多地方, 如果要将CPU分配给与当前活动进程不同的另一个进程, 都会直接调用主调度器函数schedule或者其子函数__schedule.

asmlinkage void __sched schedule(void)
{
    struct task_struct *tsk = current;
    sched_submit_work(tsk);
    __schedule();
}

　　3.进程上下文的切换

　　context_switch其实是一个分配器, 他会调用所需的特定体系结构的方法

调用switch_mm(), 把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中

switch_mm更换通过task_struct->mm描述的内存管理上下文, 该工作的细节取决于处理器, 主要包括加载页表, 刷出地址转换后备缓冲器(部分或者全部), 向内存管理单元(MMU)提供新的信息
调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息

static void __sched __schedule(void)  
{  
    struct task_struct *prev, *next;  
    unsigned long *switch_count;  
    struct rq *rq;  
    int cpu;  
    cpu = smp_processor_id();  
    rq = cpu_rq(cpu);  
    rcu_note_context_switch(cpu);  
    prev = rq->curr;            //当前队列的当前进程  
    schedule_debug(prev);  
　　...
    if (unlikely(!rq->nr_running))//当前rq无进程运行时，从其他cpu上取一个task执行  
        idle_balance(cpu, rq);  
    //选择下个可调度进程  
    next = pick_next_task(rq);  
　　...
    //上下文切换  
    context_switch(rq, prev, next); 
　　...
}

　　4.Linux的现代调度算法：CFS(完全公平调度)

　　　CFS是完全公平调度算法，将所有的进程都统一对待。其中的schedule() 函数它会先抢占当前运行任务，当它开始确定下一个要调度的任务时，它会调用 pick_next_task 函数，通过调度器类调用 CFS 调度器，返回相关的sched_entity。

static inline struct task_struct *  
pick_next_task(struct rq *rq)  
{  
    const struct sched_class *class;  
    struct task_struct *p;  

　　/*使用的数据结构*/
    if (likely(rq->nr_running == rq->cfs.nr_running)) { 
　　　　　　//如果nr_running==cfs.nr_running，则说明当前rq队列中是没有rt任务的，  
　　　　　　//rt任务不在cfs队列中，它的优先级的设置和cfs不一样。 
 
        p = fair_sched_class.pick_next_task(rq); //在cfs队列中挑选即将被切换进去的进程
        if (likely(p))  
            return p;  
    }  
    for_each_class(class) {   
        p = class->pick_next_task(rq);  
        if (p)  
            return p;  
    } 
}