LKD Process Management_zztant-优快云博客

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本文详细解析Linux进程与线程的概念、创建、生命周期、终止等关键原理，包括进程描述符、任务结构、进程状态、上下文切换、线程与进程的区别等核心知识点。

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The Process

1.process

进程不仅仅只是一个程序段，还包括打开的文件，收到的信号，进程状态，地址空间，一个或多个运行线程，保存全局变量的数据段等等

2.thread

线程拥有独立的PC，栈以及一组寄存器。linux内核是调度线程而不是进程，因为linux不区分线程和进程，线程只是一种特殊的进程。

3.fork(),exec(),wait(),waitpid()

进程调用fork()通过复制调用进程来创建的新的进程，fork()返回两次，一次在调用进程，一次在子进程中。

exec()函数创建一个新的地址空间，将新的程序加载进去。

fork()一般是通过clone()来实现的。

程序通过exit()系统调用退出，这个函数终止进程，并释放所有该进程的资源。

父进程可以通过wait4()系统调用来获得已经终止的子进程状态。当一个进程退出(exit)的时候，它会变成一个特殊zombie状态来代表已经终止的进程直到它的父进程调用wait()或者waitpid()函数。

Porcess Descriptor and the Task structure

1.Allocating the Process Descriptor

进程描述符task_structure是通过slab分配器来分配的，这个数据结构一般被保存在每个进程内核栈的最后，而现在是通过slab分配的来分配一种新的结构：thread_info。

struct thread_info {
	struct task_struct 		*task;
	struct exec_domain 		*exec_domain;
	_u32			   		flags;
	_u32			   		status;
	_u32 			   		cpu;
	int				   		preempt_count;
	mm_segment_t 	   		addr_limit;
	struct restart_block 	restart_block;
	void					*sysenter_return;
	int 					uaccess_err;
};

每个进程的thread_info都被保存在它的内核栈的最后，其中有一个指向task_structure结构的指针。

2.Storing the Process Descriptor

系统通过PID来识别不同的进程，PID的类型为pid_t，实际上是int。

系统可以很快的查找当前进程的PID通过一个current宏，在不同的体系结构中这个宏是不一样的。

x86架构有效利用了thread_info被保存在内核栈中这个事实来计算thread_info的地址。主要的两条汇编指令:

movl $-8192, %eax

andl %esp, %eax

将栈指针%esp的最后13位置0,这也表示内核栈大小为8KB。

使用current_thread_info()->task可以获得当前进程的task_struct。

3.Process State

进程描述符中的state记录该进程的状态，分别有以下5种：

1. TASK_RUNNING 处于该状态的进程要么正在运行要么在队列中等待被调度。

2. TASK_INTERRUPTIBLE 进程被阻塞，等待某个外部条件满足，当外部条件满足或者收到某个信号时被唤醒。

3. TASK_UNINTERRUPTIBLE 与状态2唯一不同的是当它收到某个信号的时候不会被唤醒。

4. __TASK_TRACED 表示进程正在被追踪。

5. __TASK_STOPPED 进程运行停止，一般是收到以下信号后:SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU。

通过 set_task_state(task, state)来改变进程的状态。

4.Process Context

普通程序运行的用户态，当一个程序执行一个系统调用或者引发一个异常的时候，会进入内核态。这时内核就处在进程上下文中，此时current宏有效。离开内核时，如果存在优先级更高的进程处在TASK_RUNNING状态，那么调度器会调度那个进程运行而不是原进程。

5.The Process Family Tree

在linux进程中，所有进程都是init进程的后代，init的PID是1。

在进程描述符中有指向父进程的parent指针和一组指向儿子进程的指针children。

内核通过以下两种方法来遍历子进程和寻找父进程

struct task_struct *task;
struct list_head *list;

list_for_each(list, ¤t->children){
	task = list_entry(list, struct task_struct,sibling);
}

for (task = current; task != &init_task; task = task->parent);
	;

由于进程是由双向循环列表组织的，因此通过下面方式可以遍历所有进程：

list_entry(task->tasks.next, struct task_struct, tasks);
/* or */
list_entry(task->tasks.prev, struct taks_struct, tasks)

Process Creation

通过fork()调用产生的子进程和父进程有以下不同：1.PID和PPID 2.接受到的信号

1.Copy-on-Write

为了提高效率,linux使用写时复制的方式来fork()进程。

fork()时唯一的开销是复制进程页表和创建进程描述符。复制资源只发生在他们其中一个需要写的时候，在此之前都是只读并且共享资源。

2.forking

fork()调用的详细过程：

1. 陷入系统调用clone(),clone()间接调用 do_fork(),do_fork()完成了创建进程的大部分工作。

2. do_fork()调用copy_process()函数，它完成以下工作：

（1）调用dup_task_struct(),为新进程创建新的内核栈以及thread_info,task_struct结构,所有这些新创建的内容都和父进程中是相同的。

（2）检查以保证新进程创建后不会超过进程数的上限。

（3）进程状态被改变为TASK_UNINTERRUPTIBLE。

（4）调用copy_flags()修改进程的描述符的flags成员。

（5）调用allloc_pid()申请新的PID。

（6）根据传递给clone()的参数flags,复制或共享打开的文件，文件系统信息，信号处理函数，进程地址空间等等。

（7） copy_process()返回指向新进程的指针。

3.如果copy_process()返回成功，新进程被唤醒并且运行。

3.vfork()

vfork（）会产生一个新的子进程.但是vfork创建的子进程与父进程共享数据段,而且由vfork创建的子进程将先于父进程运行.fork()的使用详见百度词条fork().
vfork()用法与fork()相似.但是也有区别,具体区别归结为以下3点:

1. fork():子进程拷贝父进程的数据段，代码段. vfork():子进程与父进程共享数据段.
2. fork():父子进程的执行次序不确定.
vfork():保证子进程先运行，在调用exec或_exit之前与父进程数据是共享的,在它调用exec
或_exit之后父进程才可能被调度运行。
3. vfork()保证子进程先运行，在她调用exec或_exit之后父进程才可能被调度运行。如果在
调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。
4.当需要改变共享数据段中变量的值，则拷贝父进程。

看上去好像节省了开销，但是呢，由于写时复制的引用，vfork()唯一的优势就是没有复制父进程的页表项。

因此，调用vfork()之后子进程应该紧跟着执行evec()，且不能依赖于任何父进程的行为。

The linux Implementation of Threads

上面我们说到linux是没有thread这个概念的，那么为什么呢？

因为在linux中thread就是一个process,但是这个process是和其他的process共享资源的，每个thread都有独立的进程描述符，仅仅和其他process共享资源，像地址空间等等。

1.Creating Threads

我们讨论以下clone()中的参数flags。

线程和进程的创建方式类似，唯一的不同是传给clone()的参数flags

通常是这样:

/* thread */
clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);

/* normal process */
clone(SIGCHLD,0);

/* vfork() */
clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0);

2.Kernel Threads

内核线程和不同进程的不同是不存在地址空间，他们仅仅在内核态运行永远不会切换到用户态

可以使用 ps -ef 来查看当前系统中的内核线程。内核线程在系统引导时被其他内核线程的创建

内核的创建的运行通过以下宏定义实现，内核线程会一直存在直到调用do_exit()或者被内核的其他部分调用thread_stop()。

#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)                                       \ ({                                                                                      \
	struct task_struct *k;                                                          \
	k = kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__);                    \
	if (!IS_ERR(k))									\
		wake_up_process(k);							\
	k;										\
})

int kthread_stop(struct task_struct *k)