Linux进程管理

Posted 2023-02-08 chenying66

本章节为《Linux操作系统基本原理与应用》的笔记。

1. 进程管理是对并发程序的运行过程的管理，即对处理器的管理。其功能是跟踪和控制所有进程的活动，为分配和调度CPU，协调进程的运行步调。
2. 程序在并发执行时会导致执行结果的不可再现性，这是多道程序系统必须解决的问题。
3. 在Linux系统中，要查看进程的信息可使用ps(process status)命令，该命令可查看记录在进程PCB中的几乎所有信息。
4. 进程控制块process control block, PCB，是系统为管理进程设置的一个数据结构，用于记录进程的相关信息。当创建一个进程时，系统为它生成PCB；进程完成后，撤销它的PCB。因此，PCB是进程的代表，在进程的生存期中，系统通过PCB来了解进程的活动情况，对进程实施控制和调度。PCB中记录了下述信息，
   a. 进程描述信息：记录一个进程的特征和基本情况，从而识别该进程、了解该进程的归属信息，以及确定这个进程与其他进程之间的关系。进程标识号PID，以及进程的家族关系。
   b. 进程控制和调度信息。PCB记录了进程的当前状态、调度信息、计时信息等。系统依据这些信息确定进程的状态，实施进程控制和调度。
   c. 资源信息：资源包括：该进程使用的存储器空间、打开的文件以及设备等。通过这些信息，进程就可以得到运行需要的相关程序段和数据段、使用文件和设备等资源。
   d. 现场信息：包括CPU的内部寄存器和系统堆栈等，它们的值刻画了进程的运行状态。退出CPU的进程必须保存好这些现场状态，以便在下次被调度时继续运行。当一个进程被重新调度运行时，要用PCB中的现场信息来恢复CPU的运行现场。现场一旦被切换，下一个指令周期CPU将精确的接着上次运行的断点处继续执行下去。
5. 进程的组织：管理进程就是管理进程的PCB，所有PCB都存放在内存中。实际的系统中通常会结合采用数组、索引和链表的方式以求达到最好的效率。
   
   默认只显示在本终端上运行的进程，除非指定了-e, a, x等选项。
   %CPU：进程占用CPU的时间与进程总运行时间之比。
   %MEM：进程占用的内存与总内存之比。
6. 现在，系统中所有异步发生的事件都是通过中断机制来处理的，包括I/O设备中断、系统时钟中断、硬件故障中断、软件异常中断等。每个中断都对应一个中断处理程序。
   其中，进程映像是指进程所执行的程序代码及数据。
7. 进程无论以何种方式结束，都会调用一个exit()系统调用，通过这个系统调用种植自己的运行，并及时通知父进程回收本进程。
8. shell命令的执行过程：
   
   子进程诞生后立即更换进程映像为要执行的命令的映像文件，运行该命令至结束。如果命令行后面没有带后台运行符&，则子进程在前台开始运行。
9. 进程之间通过传送信号来通信，通知进程发生了某事件。子进程在结束时也会用信号通知父进程。
   信号可以发给一个或多个进程。进程PCB中含有几个用于信号通信的域，用于记录进程收到的信号以及各信号的处理方法。发送信号就是把一个信号送到目标进程的PCB的信号域上。如果目标进程正在睡眠（可中断睡眠状态），内核将唤醒它。
   
10. 系统调用是系统内核提供的一组特殊的函数，用户进程通过系统调用来访问系统资源。与普通函数的不同之处在于，普通函数是由用户或函数库提供的程序代码，它们的运行会受到系统的限制，不能访问系统资源。系统调用是内核中的程序代码，它们具有访问系统资源的特权。当用户进程需要执行涉及系统资源的操作时，需要通过系统调用，让内核来完成。
11. fork()函数，如果调用成功，则它向父进程返回子进程的PID，并向新建的子进程返回0。fork函数是一次调用，两次返回。
12. exec()函数是一次调用，零次返回，因为调用成功后，进程的映像已经被替换，无处可以返回了。
13. Linux将进程分为实时进程与普通进程两类，分别采用不同的调度策略。实时进程是那些对响应时间要求很高的进程，如视频与音频应用、过程控制和数据采集等，系统优先响应它们对CPU的要求；对普通进程则采用优先级+时间片轮转的调度策略，以兼顾系统的响应速度、公平性和整体效率。进程的调度策略和优先级等是在进程创建时从父进程那里继承来的。实时优先级rt_priority是指实时进程的优先级，标志实时进程优先权的高低，取值范围1（最高）-99（最低）。静态优先级static_prio，进程在创建之初被赋予了一个表示优先程度的nice数，100（最高）-139（最低）。动态优先级prio表示普通进程的实际优先级，它是对静态优先级的调整，随进程的运行状况而变换，取值范围为100（最高）-139（最低）。
14. Linux系统中的调度函数和队列。
    a. Linux中用于实现进程调度的程序是内核函数schedule()。该函数按照预定的策略在可执行进程中选择一个进程，切换CPU现场使之运行。
    b. 调度程序中最基本的数据结构是可执行队列runqueue。每个CPU都有一个自己的可执行队列，它包含了所有等待该CPU的可执行进程。runqueue结构中设有一个curr指针，指向正在使用CPU的进程。进程切换时，curr指针也跟着变换。
    新版本的调度程序：此时runqueue队列结构中实际包含了多个进程队列，将进程按优先级划分，相同优先级的链接在一起，成为一个优先级队列。所有优先级队列的头地址都记录在一个优先级数组中，按优先级顺序排列。实时进程的优先级队列在前1-99，普通进程的优先级队列在后100-139。当进程调度选择进程时，只需在优先级数组中选择当前最高优先级队列中的第1个进程即可。因此，无论进程的多少，这个操作总可以在固定的时间内完成，因而是O(1)级别的。
    影响调度算法效率的另一个操作是为进程重新计算时间片。新调度函数将每个优先级队列分为两个：活动队列和过期队列。其中，活动队列中包含了那些时间片未用完的进程，过期队列包含了那些时间片用完的进程。相应的，在runqueue中设置了两个优先级数组：一个是活动数组active，它记录了所有活动队列的指针；另一个是过期数组expired，它记录了所有过期队列的指针。当一个进程进入可执行态时，它被按照优先级放入一个活动队列中；当进程的时间片耗完时，它会被赋予新的时间片并转移到相应的过期队列中。当所有活动队列都为空时，只需将active和expired数组的指针互换，过期队列就成为活动队列。这个操作也是O(1)级别的。
15. 时间片轮转算法注重优先级顺序，只有在每级内采用轮转；而NORMAL普通调度算法注重的是轮转，在每轮中采用优先级顺序。
16. 按通信的同步方式来分，进程通信分为同步通信和异步通信两类。同步通信：通信双方进程共同参与整个通信过程，步调协调的发送和接收数据，双方必须同时在线、同步的交换；异步通信：通信的发送方不必考虑对方的状态，发送完就继续运行，接收方也不关心发送方的状态，在自己适合的时候接收数据。管道和共享内存等都属于同步通信，而信号、消息则属于异步通信。
17. Linux系统支持的几种IPC机制：
    a. 信号量：用于传递进程对资源的占有状态信息，从而实现进程的同步与互斥
    b. 信号：一般只是几个字节的数据，用于通知进程有某个事件发生。系统通过一组预定义的信号来控制进程的活动，用户也可以定义自己的信号来通告进程某个约定事件的发生。
    c. 管道：管道的信息传输量大，速度快，内置同步机制，使用简单。管道的容量是有限的（一个内存页面大小），管道所传送的是五个十字节流，使用管道的双方必须事先约定好数据的格式。
    d. 消息队列：与管道不同，这是一种异步的通信方式，相比信号来说，消息队列传递的信息量更大，能够传递格式化的数据。更主要的是，消息通信是一部的，适合于在异步运行的进程间交换信息。
    e. 共享内存：通过在内存中开辟一段存储空间，将这个区域映射到多个进程的地址空间中，使得多个进程能够共享这个内存区域。共享内存的效率在所有IPC中是最高的，特别适用于传递大量的、实时的数据。但它没有内置的同步机制，需要配合使用信号量实现进程的同步。因此，较之管道，共享内存的使用较复杂。