闲话Linux进程

进程是操作系统运行的基础，本文以比较粗犷的角度闲侃linux进程方面的知识。

 

用户态的每个进程在内核中对应一个task_struct结构的进程描述符，描述符中包含进程的状态和执行信息、虚拟内存信息、打开文件信息、以及文件文件系统信息，信号相关信息等（进程使用的资源时有限制的，如打开文件数，使用的物理页，文件大小等，其值包含在描述符中task_struct->signal->rlim字段中，也可通过ulimit –a进行查看）。

 

每个进程由一个ID来标示，称为进程号，内核通过位图的管理方式来为新创建的进程分配进程号。内核将所有进程描述符使用链表链接起来以进行统一管理（可通过ps命令查看进程的信息），进程链表的头式init_task描述符，即0进程或称swapper进程的描述符，同时为了方便通过进程号获取进程描述符，内核将所有的进程按照其PID（PGID,SID）链入到不同散列表。

 

进程可通过fork系统调用进行创建，新创建的进程成为子进程，在其创建时，其复制了其父进程的所有资源，是父进程的副本。execve系统调用可以执行新的应用程序，通常fork与execve系统调用配合起来使用，通过fork创建子进程，然后在子进程中调用execve执行新的应用程序（用应用程序的虚拟地址空间替换子进程的虚拟地址空间）。

 

所有进程的祖先叫做进程0，idle进程或swapper进程，它是在linux的初始化阶段从无到有创建的一个内核线程，该进程使用了一系列的静态分配的数据结构进行初始化（INIT_MM, INIT_FS等）。进程0执行cpu_idle函数，本质上是在开中断的情况下重复执行hlt指令，只有当没有其他进程处于可运行状态时，调度程序才选择进程0。进程0初始化内核需要的所有数据结构后，创建一个叫进程1的内核线程（init进程），通过execve系统调用装入/sbin/init执行，在系统关闭之前，init进程一直存活，因为它创建和监控在操作系统外层执行的所有进程的活动。

 

为了方便调度，内核为进程设置了多种状态，可运行状态，可中断等待状态，不可中断等待状态，暂停状态等，根据不同的条件，进程可以在不同的状态下进行转换。另外考虑到任务性质不同，进程具有不同的优先级，每个可运行状态的进程描述符同时被链接到相应的优先级链表中（优先级链表共140个，对应的优先级从0-139）。而对于处于等待状态的进程，其被划分为若干的类别，每个类别代表一个特定的事件，并通过等待队列来组织进程。

 

调度器的主要工作包括选择下一个要运行的进程并进行上下文切换（与体系结构相关的操作，由switch_to完成）。内核的调度程序主要由schedule函数完成，schedule()函数可以通过两种方式调用:

1.  主动调度，直接调用函数schedule()，如进程退出，或者进入睡眠状态等。

2.  强制性调度。置位当前进程task_struct里面的need_resched。当是从内核态返回用户态的时候将检查这个位，如果发现已经被置位，会调用schedule(),和主动调度相比，强制性调度有一定的调度延时；有以下三种情况可能会置位need_resched：
a. 时钟中断服务程序中，发现进程已经用完自己的时间片，需要被切出CPU；
b. 当唤醒一个睡眠进程时，发现该进程比当前占有CPU的进程优先级高；
c. 一个进程通过系统调用改变调度策略、优先级等。