第一次作业：深入源码分析进程模型（linux）

Posted 2020-11-02 czh1999

一.什么是进程

　　计算机上有许多可以运行的软件，其中也包括操作系统，这些软件运行时，就产生了一个或多个进程。

二.Linux系统中进程的组织与转换

1>Linux中进程的描述符（即用来描述一个进程的结构体）

struct task_struct {

    ......

    volatile long state;                   // 描述进程的运行状态

    void *stack;                           // 指向内核栈

    struct list_head tasks;                // 用于加入进程链表
    ......

    struct mm_struct *mm, *active_mm;      // 指向该进程的内存区描述符

    ......

    pid_t pid;                             // 进程ID

    pid_t tgid;                            // 线程组ID

    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];     // 用于连接到PID、TGID、PGRP、SESSION哈希表

    ........

    struct task_struct __rcu *real_parent; // 指向创建其的父进程，如果其父进程不存在，则指向init进程
  
    struct task_struct __rcu *parent;      // 指向当前的父进程，通常与real_parent一致 
    
    struct list_head children;             // 子进程链表

    struct list_head sibling;              // 兄弟进程链表

    struct task_struct *group_leader;      // 线程组领头线程指针

    struct thread_struct thread;           // 在进程切换时保存硬件上下文

    struct fs_struct *fs;                  // 当前目录

    struct files_struct *files;            // 指向文件描述符，该进程所有打开的文件会在这里面的一个指针数组里

    ........

　　struct signal_struct *signal;          // 信号描述符

　　struct sighand_struct *sighand;        // 信号处理函数描述符

　　sigset_t blocked, real_blocked;
　　/* sigset_t是一个位数组，每种信号对应一个位，linux中信号最大数是64
　　 * blocked: 被阻塞信号掩码
　　 * real_blocked: 被阻塞信号的临时掩码
　　 */　　

　　sigset_t saved_sigmask;                // set_restore_sigmask()被使用则恢复

　　struct sigpending pending;             // 私有挂起信号队列 

    ........
}

　　在一个进程描述符中，包含了这个进程的所有信息。在内核中，会有一个进程链表通过使用进程描述符中的tasks结构把所有进程的进程链表链接起来。

　　PID为进程标识符，如同学生的学号一样，具有唯一性。一般情况下，PID编号为顺序的，但有一个上限，达到上限后开始循环查找空闲的PID值。

　　进程之间的关系：

　　一个进程大多有另一个进程创建，这些被创建的进程与创建它们的进程就为父子关系。

　　如果一个进程创建了多个进程，则这些进程就为兄弟关系。

　　而如果一个进程P0创建了进程P1、P2、P3，进程P3又创建了进程P4，它们整个链表情况是这样的：

　　

2>Linux中进程的状态

　　TASK_RUNNING：就绪态或者运行态，进程就绪可以运行，但是不一定正在占有CPU

　　TASK_INTERRUPTIBLE:睡眠态，浅度睡眠，可以响应信号

　　TASK_UNINTERRUPTIBLE:睡眠态，深度睡眠，不响应信号，典型场景是进程获取信号量阻塞

　　TASK_STOPED:停止态，当进程接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU信号后进入

　　TASK_ZOMBIE:僵尸态，进程已退出或者结束，但是父进程还不知道，没有回收时的状态

3>Linux中进程的转换

　　Linux中是所有switch to（）来完成进程从prev到next的切换

switch to（）宏源码：

 

#define switch_to(prev,next,last) do { \\
unsigned long esi,edi; \\
asm volatile("pushfl\\n\\t" \\
    "pushl %%ebp\\n\\t" \\
    "movl %%esp,%0\\n\\t" /* save ESP */ \\
    "movl %5,%%esp\\n\\t" /* restore ESP */ \\
    "movl $1f,%1\\n\\t" /* save EIP */ \\
    "pushl %6\\n\\t" /* restore EIP */ \\
    "jmp __switch_to\\n" \\
    "1:\\t"  \\
    "popl %%ebp\\n\\t" \\
    "popfl"  \\
    :"=m" (prev->thread.esp),"=m" (prev->thread.eip), \\
     "=a" (last),"=S" (esi),"=D" (edi) \\
    :"m" (next->thread.esp),"m" (next->thread.eip), \\
     "2" (prev), "d" (next)); \\
} while (0)

 

　　该宏有三个参数：

　　prev：该参数存放的是当前进程描述符指针

　　next：该参数存放的是需要被替换来的新进程的指针

　　last：该参数存放的是当前进程之前所占用CPU的进程的指针

Linux进程转换图：

 

 4>进程的组织

　　所有处于TASK_RUNNING的创建都会被放入CPU的运行队列中，它们可以在不同的CPU运行队列中。处于TASK_STOPED的进程没有建立专门的链表，但可以通过PID以及父子链表进行访问。处于TASK_INTERRUPTIBLE以及处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程都会被放入相应的等待队列中，每个等待队列的唤醒条件不等。

三.Linux进程是如何调度的

1>Linux进程优先级

　　Linux进程由调度优先级可分为两种：实时进程与普通进程。任何情况下，实时进程的优先级都高于普通进程。

2>实时进程的调度

　　实时进程只有静态优先级，优先级高的总是比优先级低的先运行。当两个进程优先级相同时，则会按照队列上的顺序执行进程。

3>普通进程的调度

　　普通进程通过动态优先级来进行调度。动态优先级是有静态优先级调整而来，二Liunx系统给了用户一个可以调节静态优先级的接口：nice值。静态优先级与nice值的关系为：

　　static_prio=MAX_RT_PRIO +nice+ 20

　　nice值的范围是-20~19，因而静态优先级范围在100~139之间。nice数值越大就使得static_prio越大，最终进程优先级就越低。

　　动态优先级的计算公式为：

　　dynamic_prio = max (100, min (static_prio - bonus + 5, 139))

　　bouns为进程的平均睡眠时间

四.心得体会

　　Linux作为一个具有代表性的操作系统，以及经历了多年的更新、优化。在此次作业中，我分析了操作系统中进程的组织、转换和调度，明白了Linux系统通过对进程的调整，以在不影响效果下达到CPU的最高的使用效率。通过此次作业，我了解了一个优秀的操作系统应该具有什么样的条件，对操作系统的理解更深了一层。

五.参考链接

　　https://blog.csdn.net/kklvsports/article/details/52268085

　　https://www.cnblogs.com/tolimit/p/4530370.html

　　http://blog.chinaunix.net/uid-23253303-id-3952935.html

　　http://www.cnblogs.com/zhaoyl/archive/2012/09/04/2671156.html