初识Linux下的进程

一、回顾Linux体系结构
通过之前对Linux系统的简单接触，我们对Linux有了简单的了解，请允许我盗图进行说明

简单的来说，Linux体系结构可以描述为

1、操作系统
（1）操作系统其实也是一组程序，这组程序的重点在于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件；
（2）操作系统必须要能够驱动硬件，如此应用程序才能够使用硬件功能；
2、系统调用
为了保护内核，并且保证程序员能够开发软件，因此操作系统除了提供内核以外，还会提供一组开发接口，那就是系统调用层，系统调用是操作系统提供出来的接口。
二、进程的基本概念
1、什么是进程
进程是一个动态的实体，是程序的程序的一次执行过程。
2、进程和程序的区别
（1）存储的位置不同
进程是加载到内存中的，而程序实在硬盘上的二进制文件。
（2）性质不同
进程是一个动态的概念，是程序正在运行时的过程；而程序是一个静态的概念，是一些预先编译好的指令和数据集合的二进制文件。
三、Linux进程的结构
Linux进程可由三部分组成：即程序、数据、进程控制块PCB（Process Control Block）。

进程控制块PCB
将程序从硬盘上加载到内存当中时，封装一个名为task_struct结构体，结构体中包含了此进程的所有信息，进程控制块PCB就用此结构体来表示。进程控制块是进程存在的惟一标识，系统通过PCB对进程进行管理和调度。

task_struct结构体中的成员
保存进程信息的数据结构叫做task_struct，并且可以在 include/linux/sched.h里找到它，所有运行在系统里的进程都以 task_struct 链表的形式存在内核里。
简单来看一下task_struct 结构体中都包含了哪些信息？
1.调度数据成员
(1) volatile long states;
表示进程的当前状态:
TASK_RUNNING:正在运行或在就绪队列run-queue中准备运行的进程，实际参与进程调度。
TASK_INTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，也可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒后进入就绪队列run-queue。
TASK_UNINTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，不可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒。
TASK_ZOMBIE:表示进程结束但尚未消亡的一种状态(僵死状态)。此时，进程已经结束运行且释放大部分资源，但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息。
TASK_STOPPED:进程被暂停，通过其它进程的信号才能唤醒。导致这种状态的原因有二，或者是对收到SIGSTOP、SIGSTP、SIGTTIN或SIGTTOU信号的反应，或者是受其它进程的ptrace系统调用的控制而暂时将CPU交给控制进程。
TASK_SWAPPING: 进程页面被交换出内存的进程。
__TASK_STOPPED表示进程被停止执行。
__TASK_TRACED表示进程被debugger等进程监视。
EXIT_DEAD表示进程的最终状态。

(2) unsigned long flags;
进程标志:
PF_ALIGNWARN 打印“对齐”警告信息。
PF_PTRACED 被ptrace系统调用监控。
PF_TRACESYS 正在跟踪。
PF_FORKNOEXEC 进程刚创建，但还没执行。
PF_SUPERPRIV 超级用户特权。
PF_DUMPCORE dumped core。
PF_SIGNALED 进程被信号(signal)杀出。
PF_STARTING 进程正被创建。
PF_EXITING 进程开始关闭。
PF_USEDFPU 该进程使用FPU(SMP only)。
PF_DTRACE delayed trace (used on m68k)。

(3) long priority;
进程优先级。 Priority的值给出进程每次获取CPU后可使用的时间。优先级可通过系统调用sys_setpriorty改变(在kernel/sys.c中)。

(4) unsigned long rt_priority;
rt_priority给出实时进程的优先级，rt_priority+1000给出进程每次获取CPU后可使用的时间(同样按jiffies计)。实时进程的优先级可通过系统调用sys_sched_setscheduler()改变(见kernel/sched.c)。

(5) long counter;
在轮转法调度时表示进程当前还可运行多久。在进程开始运行是被赋为priority的值，以后每隔一个tick(时钟中断)递减1，减到0时引起新一轮调度。重新调度将从run_queue队列选出counter值最大的就绪进程并给予CPU使用权，因此counter起到了进程的动态优先级的作用(priority则是静态优先级)。

(6) unsigned long policy;
该进程的进程调度策略，可以通过系统调用sys_sched_setscheduler()更改(见kernel/sched.c)。调度策略有:
SCHED_OTHER 0 非实时进程，基于优先权的轮转法(round robin)。
SCHED_FIFO 1 实时进程，用先进先出算法。
SCHED_RR 2 实时进程，用基于优先权的轮转法。

2.信号处理
(1) unsigned long signal;
进程接收到的信号。每位表示一种信号，共32种。置位有效。

(2) unsigned long blocked;
进程所能接受信号的位掩码。置位表示屏蔽，复位表示不屏蔽。

(3) struct signal_struct *sig;
因为signal和blocked都是32位的变量，Linux最多只能接受32种信号。对每种信号，各进程可以由PCB的sig属性选择使用自定义的处理函数，或是系统的缺省处理函数。指派各种信息处理函数的结构定义在include/linux/sched.h中。对信号的检查安排在系统调用结束后，以及“慢速型”中断服务程序结束后(IRQ#_interrupt()，参见Array。5节“启动内核”)。

3.进程队列指针
(1) struct task_struct *next_task，*prev_task;
所有进程(以PCB的形式)组成一个双向链表。next_task和就是链表的前后指针。链表的头和尾都是init_task(即0号进程)。

(2) struct task_struct *next_run，*prev_run;
由正在运行或是可以运行的，其进程状态均为TASK_RUNNING的进程所组成的一个双向循环链表，即run_queue就绪队列。该链表的前后向指针用next_run和prev_run，链表的头和尾都是init_task(即0号进程)。

(3) struct task_struct *p_opptr，*p_pptr;和struct task_struct *p_cptr，*p_ysptr，*p_osptr;
以上分别是指向原始父进程(original parent)、父进程(parent)、子进程(youngest child)及新老兄弟进程(younger sibling，older sibling)的指针。

4.进程标识
(1) unsigned short uid，gid;
uid和gid是运行进程的用户标识和用户组标识。

(2) int groups[NGROUPS];
与多数现代UNIX操作系统一样，Linux允许进程同时拥有一组用户组号。在进程访问文件时，这些组号可用于合法性检查。

(3) unsigned short euid，egid;
euid和egid又称为有效的uid和gid。出于系统安全的权限的考虑，运行程序时要检查euid和egid的合法性。通常，uid等于euid，gid等于egid。有时候，系统会赋予一般用户暂时拥有root的uid和gid(作为用户进程的euid和egid)，以便于进行运作。

(4) unsigned short fsuid，fsgid;
fsuid和fsgid称为文件系统的uid和gid，用于文件系统操作时的合法性检查，是Linux独特的标识类型。它们一般分别和euid和egid一致，但在NFS文件系统中NFS服务器需要作为一个特殊的进程访问文件，这时只修改客户进程的fsuid和fsgid。

(5) unsigned short suid，sgid;
suid和sgid是根据POSIX标准引入的，在系统调用改变uid和gid时，用于保留真正的uid和gid。

(6) int pid，pgrp，session;
进程标识号、进程的组织号及session标识号，相关系统调用(见程序kernel/sys.c)有sys_setpgid、sys_getpgid、sys_setpgrp、sys_getpgrp、sys_getsid及sys_setsid几种。

(7) int leader;
是否是session的主管，布尔量。

5.时间数据成员
(1) unsigned long timeout;
用于软件定时，指出进程间隔多久被重新唤醒。采用tick为单位。

(2) unsigned long it_real_value，it_real_iner;
用于itimer(interval timer)软件定时。采用jiffies为单位，每个tick使it_real_value减到0时向进程发信号SIGALRM，并重新置初值。初值由it_real_incr保存。具体代码见kernel/itimer.c中的函数it_real_fn()。

(3) struct timer_list real_timer;
一种定时器结构(Linux共有两种定时器结构，另一种称作old_timer)。数据结构的定义在include/linux/timer.h中，相关操作函数见kernel/sched.c中add_timer()和del_timer()等。

(4) unsigned long it_virt_value，it_virt_incr;
关于进程用户态执行时间的itimer软件定时。采用jiffies为单位。进程在用户态运行时，每个tick使it_virt_value减1，减到0时向进程发信号SIGVTALRM，并重新置初值。初值由it_virt_incr保存。具体代码见kernel/sched.c中的函数do_it_virt()。

(5) unsigned long it_prof_value，it_prof_incr;
同样是itimer软件定时。采用jiffies为单位。不管进程在用户态或内核态运行，每个tick使it_prof_value减1，减到0时向进程发信号SIGPROF，并重新置初值。初值由it_prof_incr保存。 具体代码见kernel/sched.c中的函数do_it_prof。

(6) long utime，stime，cutime，cstime，start_time;
以上分别为进程在用户态的运行时间、进程在内核态的运行时间、所有层次子进程在用户态的运行时间总和、所有层次子进程在核心态的运行时间总和，以及创建该进程的时间。

6.信号量数据成员
(1) struct sem_undo *semundo;
进程每操作一次信号量，都生成一个对此次操作的undo操作，它由sem_undo结构描述。这些属于同一进程的undo操作组成的链表就由semundo属性指示。当进程异常终止时，系统会调用undo操作。sem_undo的成员semadj指向一个数据数组，表示各次undo的量。结构定义在include/linux/sem.h。

(2) struct sem_queue *semsleeping;
每一信号量集合对应一个sem_queue等待队列(见include/linux/sem.h)。进程因操作该信号量集合而阻塞时，它被挂到semsleeping指示的关于该信号量集合的sem_queue队列。反过来，semsleeping。sleeper指向该进程的PCB。

7.进程上下文环境
(1) struct desc_struct *ldt;
进程关于CPU段式存储管理的局部描述符表的指针，用于仿真WINE Windows的程序。其他情况下取值NULL，进程的ldt就是arch/i386/traps.c定义的default_ldt。

(2) struct thread_struct tss;
任务状态段，其内容与INTEL CPU的TSS对应，如各种通用寄存器.CPU调度时，当前运行进程的TSS保存到PCB的tss，新选中进程的tss内容复制到CPU的TSS。结构定义在include/linux/tasks.h中。

(3) unsigned long saved_kernel_stack;
为MS-DOS的仿真程序(或叫系统调用vm86)保存的堆栈指针。

(4) unsigned long kernel_stack_page;
在内核态运行时，每个进程都有一个内核堆栈，其基地址就保存在kernel_stack_page中。

8.文件系统数据成员
(1) struct fs_struct *fs;
fs保存了进程本身与VFS的关系消息，其中root指向根目录结点，pwd指向当前目录结点，umask给出新建文件的访问模式(可由系统调用umask更改)，count是Linux保留的属性，如下页图所示。结构定义在include/linux/sched.h中。

(2) struct files_struct *files;
files包含了进程当前所打开的文件(struct file *fd[NR_OPEN])。在Linux中，一个进程最多只能同时打开NR_OPEN个文件。而且，前三项分别预先设置为标准输入、标准输出和出错消息输出文件。

(3) int link_count;
文件链(link)的数目。

9.Array. 内存数据成员
(1) struct mm_struct *mm;
在linux中，采用按需分页的策略解决进程的内存需求。task_struct的数据成员mm指向关于存储管理的mm_struct结构。其中包含了一个虚存队列mmap，指向由若干vm_area_struct描述的虚存块。同时，为了加快访问速度，mm中的mmap_avl维护了一个AVL树。在树中，所有的vm_area_struct虚存块均由左指针指向相邻的低虚存块，右指针指向相邻的高虚存块。 结构定义在include/linux/sched.h中。

10.页面管理
(1) int swappable:1;
进程占用的内存页面是否可换出。swappable为1表示可换出。对该标志的复位和置位均在do_fork()函数中执行(见kerenl/fork.c)。

(2) unsigned long swap_address;
虚存地址比swap_address低的进程页面，以前已经换出或已换出过，进程下一次可换出的页面自swap_address开始。参见swap_out_process()和swap_out_pmd()(见mm/vmscan.c)。

(3) unsigned long min_flt，maj_flt;
该进程累计的minor缺页次数和major缺页次数。maj_flt基本与min_flt相同，但计数的范围比后者广(参见fs/buffer.c和mm/page_alloc.c)。min_flt只在do_no_page()、do_wp_page()里(见mm/memory.c)计数新增的可以写操作的页面。

(4) unsigned long nswap;
该进程累计换出的页面数。

(5) unsigned long cmin_flt，cmaj_flt，cnswap;
以本进程作为祖先的所有层次子进程的累计换入页面、换出页面计数。

(7) unsigned long swap_cnt;
下一次信号最多可换出的页数。

11.支持对称多处理器方式(SMP)时的数据成员
(1) int processor;
进程正在使用的CPU。

(2) int last_processor;
进程最后一次使用的CPU。

(3) int lock_depth;
上下文切换时系统内核锁的深度。

12.其它数据成员
(1) unsigned short used_math;
是否使用FPU。

(2) char comm[16];
进程正在运行的可执行文件的文件名。

(3) struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];
结构rlimit用于资源管理，定义在linux/include/linux/resource.h中，成员共有两项:rlim_cur是资源的当前最大数目;rlim_max是资源可有的最大数目。在i386环境中，受控资源共有RLIM_NLIMITS项，即10项，定义在linux/include/asm/resource.h中。

(4) int errno;
最后一次出错的系统调用的错误号，0表示无错误。系统调用返回时，全程量也拥有该错误号。

(5) long debugreg[8];
保存INTEL CPU调试寄存器的值，在ptrace系统调用中使用。

(6) struct exec_domain *exec_domain;
Linux可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。关于此类程序与Linux程序差异的消息就由exec_domain结构保存。

(7) unsigned long personality;
Linux可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。 Personality进一步描述进程执行的程序属于何种UNIX平台的“个性”信息。通常有PER_Linux、PER_Linux_32BIT、PER_Linux_EM86、PER_SVR3、PER_SCOSVR3、PER_WYSEV386、PER_ISCR4、PER_BSD、PER_XENIX和PER_MASK等，参见include/linux/personality.h。

(8) struct linux_binfmt *binfmt;
指向进程所属的全局执行文件格式结构，共有a。out、script、elf和Java等四种。结构定义在include/linux/binfmts.h中(core_dump、load_shlib(fd)、load_binary、use_count)。

(9)(Array) int exit_code，exit_signal;
引起进程退出的返回代码exit_code，引起错误的信号名exit_signal。

(10) int dumpable:1;
布尔量，表示出错时是否可以进行memory dump。

(11) int did_exec:1;
按POSIX要求设计的布尔量，区分进程是正在执行老程序代码，还是在执行execve装入的新代码。

(12) int tty_old_pgrp;
进程显示终端所在的组标识。

(13) struct tty_struct *tty;
指向进程所在的显示终端的信息。如果进程不需要显示终端，如0号进程，则该指针为空。结构定义在include/linux/tty.h中。

(14) struct wait_queue *wait_chldexit;
在进程结束时，或发出系统调用wait4后，为了等待子进程的结束，而将自己(父进程)睡眠在该队列上。结构定义在include/linux/wait.h中。

13.进程队列的全局变量
(1) current;
当前正在运行的进程的指针，在SMP中则指向CPU组中正被调度的CPU的当前进程:
#define current(0+current_set[smp_processor_id()])/sched.h/
struct task_struct *current_set[NR_CPUS];

(2) struct task_struct init_task;

(3) struct task_struct *task[NR_TASKS];
进程队列数组，规定系统可同时运行的最大进程数(见kernel/sched.c)。NR_TASKS定义在include/linux/tasks.h中，值为512。每个进程占一个数组元素(元素的下标不一定就是进程的pid)，task[0]必须指向init_task(0号进程)。可以通过task[]数组遍历所有进程的PCB。但Linux也提供一个宏定义for_each_task()(见include/linux/sched.h)，它通过next_task遍历所有进程的PCB:
#define for_each_task(p) ＼
for(p=&init_task;(p=p->next_task)!=&init_task;)

(4) unsigned long volatile jiffies;

(5) int need_resched;
重新调度标志位(见kernal/sched.c)。当需要Linux调度时置位。在系统调用返回前(或者其它情形下)，判断该标志是否置位。置位的话，马上调用schedule进行CPU调度。

(6) unsigned long intr_count;
记录中断服务程序的嵌套层数(见kernal/softirq.c)。正常运行时，intr_count为0。当处理硬件中断、执行任务队列中的任务或者执行bottom half队列中的任务时，intr_count非0。这时，内核禁止某些操作，例如不允许重新调度。

相信很多宝宝看见这么多数据成员头都大了，但是不必全都记下来，之需要了解一下即可，在此提取几个重要的成员和大家进行共享：
    标示符 ： 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
    状态    ：任务状态，退出代码，退出信号等。
    优先级 ：相对于其他进程的优先级。
    程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
   内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
    上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。
I／O状态信息：包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。
    记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。