Linux：浅析进程（二）

最新推荐文章于 2022-12-07 15:12:48 发布

ricardoleo

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分类专栏： Linux

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本文介绍了五种进程调度算法，包括时间片轮转、先来先服务等，并详细解析了Linux下的task_struct结构体，最后通过实例展示了僵尸进程与孤儿进程的特点。

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在上篇博客浅析进程（一）中，提到了进程的一些概念，以及与进程有关的一些内容。程序在执行时，加载到内存，由操作系统进行描述，然后组织成双链表，进而管理。而这个过程中由操作系统描述后的内容被叫做PCB，而在Linux操作系统下，PCB是一个名字叫做 task_struct的结构体，那这个结构体内到底是什么东西呢？

一、进程的调度算法
进程的调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。

进程调度算法有五种：
1. 时间片轮转调度算法（RR）：给每个进程固定的执行时间，根据进程到达的先后顺序让进程在单位时间片内执行，执行完成后便调度下一个进程执行，时间片轮转调度部考虑进程等待时间和执行时间，属于抢占式调度。优点：兼顾长短进程。缺点：平均等待的时间过长，上下文切换较费时间。适用于分时系统。（分时系统：多个用户分享使用同一台计算机，多个程序分时共享软件和硬件资源。）

2.先来先服务调度算法（FCFS）：根据进程到达的先后顺序执行进程，不考虑等待时间和执行时间，会产生饥饿现象。属于非抢占式调度。优点：公平，实现简单。缺点：不利于短进程工作。（饥饿现象：等待时间过长给进程的推进和响应造成明显影响叫做饥饿现象）

3.优先级调度算法（HPF）：在进程等待队列中选择优先级最高的来执行。

4.多级反馈队列调度算法：将时间片轮转与优先级调度结合，把进程按优先级分成不同的队列，先按优先级调度，优先级相同的按时间片轮转。优点：可以兼顾长短进程，有较好的响应时间，可行性强。适用于各种作业环境。

5.高响应比优先调度算法：根据“响应比 = （进程执行时间 + 进程等待时间）/ 进程执行时间”这个公式得到响应比来进行调度。高响应比优先算法在等待时间相同的情况下，进程执行的时间越短，其响应比越高，满足段任务优先，同时响应比会随着等待时间增加而变大，优先级会提高，能够避免饥饿现象。优点：兼顾长短进程。缺点：计算机响应开销比较大。适用于批处理系统。

这里说一下抢占式调度与非抢占式调度的区别。
抢占式调度：允许将逻辑上可继续运行的进程，在运行过程中将其暂停，从而调度其他的进程。可以防止单一进程长时间独占CPU系统开销大。
非抢占式调度：让进程运行直到结束或阻塞的调度方式，容易实现，适合专用系统，不适合通用系统。

二、task_struct结构体

我们知道，在Linux操作系统下，进程控制块即PCB是task_struct结构体，那这个结构体内有什么内容呢？

利用find命令，我们在usr的路径下最终找到了包含task_struct结构体的文件。
这里写图片描述

struct task_struct 
{
 //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
    volatile long state;  
 //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
 unsigned long flags;  
 //进程上是否有待处理的信号
 int sigpending;   
 //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
 mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead  
      //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread

 //调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
 volatile long need_resched;
 //锁深度
 int lock_depth;  
 //进程的基本时间片
 long nice;       
 //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
 unsigned long policy;
 //进程内存管理信息
 struct mm_struct *mm; 

 int processor;
 //若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
 unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
 //指向运行队列的指针
 struct list_head run_list; 
 //进程的睡眠时间
 unsigned long sleep_time;  
 //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
 struct task_struct *next_task, *prev_task;
 struct mm_struct *active_mm;
 struct list_head local_pages;       //指向本地页面      
 unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
 struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
 int exit_code, exit_signal;
 int pdeath_signal;     //父进程终止是向子进程发送的信号
 unsigned long personality;
 //Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
 int did_exec:1; 
 pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
 pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
 pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
 pid_t session;  //进程的会话标识
 pid_t tgid;
 int leader;     //表示进程是否为会话主管
 struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
 struct list_head thread_group;   //线程链表
 struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
 struct task_struct **pidhash_pprev;
 wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
 struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
 unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
 //it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value
 //设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
 //it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
 //当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
 //信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
 //it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
 //状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
 //it_virt_incr重置初值。
 unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
 unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
 struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
 struct tms times;      //记录进程消耗的时间
 unsigned long start_time;  //进程创建的时间
 //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
 long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; 
 //内存缺页和交换信息:
 //min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
 //设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
 //cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
 //在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
 unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
 int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
 //进程认证信息
 //uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
 //euid，egid为有效uid,gid
 //fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
 //系统的访问权限时使用他们。
 //suid，sgid为备份uid,gid
 uid_t uid,euid,suid,fsuid;
 gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
 int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
 gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
 //进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
 kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
 int keep_capabilities:1;
 struct user_struct *user;
 struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
 unsigned short used_math;   //是否使用FPU
 char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
 //文件系统信息
 int link_count, total_link_count;
 //NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
 struct tty_struct *tty;
 unsigned int locks;
 //进程间通信信息
 struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
 struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
 //进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
 struct thread_struct thread;
   //文件系统信息
 struct fs_struct *fs;
   //打开文件信息
 struct files_struct *files;
   //信号处理函数
 spinlock_t sigmask_lock;
 struct signal_struct *sig; //信号处理函数
 sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
 struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
 unsigned long sas_ss_sp;
 size_t sas_ss_size;
 int (*notifier)(void *priv);
 void *notifier_data;
 sigset_t *notifier_mask;
 u32 parent_exec_id;
 u32 self_exec_id;
 spinlock_t alloc_lock;
 void *journal_info;
 };

注：此task_struct来源于网络。

三、孤儿进程与僵尸进程

在上篇博客中提到了僵尸进程与孤儿进程，在这里来模拟实现以下僵尸进程与孤儿进程。

僵尸进程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int ret = fork();
    while(1)
    {
        if(ret)
        {
            printf("father:pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
        if(!ret)
        {
            printf("child:pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;