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分类: LINUX

2010-12-30 15:26:45

linux设备驱动归纳总结(四):1.进程管理的相关概念


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接下来的几节我会大概的讲一下内核进程的一些概念,其实应该在学习系统编程时候就应该知道的。。我参照的书籍是《linux内核设计与实现》(第三版)。我会尽可能地跳开内核代码,简述一下原理。

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一、什么是进程


简单的说,进程就是正在运行的程序,一个程序可以同时有多个进程。学过C语言都知道,程序运行时并不是只有代码,还包含其他的资源,如打开的文件,信号,全局变量等等。我在《操作系统原理》中看过一个很生动很深刻的例子:一个人对照着菜谱做菜。在这例子中,人就是内核,菜谱就是程序,做菜的过程就是进程,而菜、锅就是这个进程的资源。

内核为线程提供了两种技术:虚拟处理器和虚拟内存。这就是说,每个进程都傻乎乎的认为自己独占着CPU和享用这4G的内存,确不知道内核在背后调度进程和给每个进程4G的虚拟地址。

进程由fork创建,通过exit退出。

有人或许会问,那线程是什么?线程就是一种特殊的进程。


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二、进程是用什么结构体来维护


内核将所有的进程放在叫任务队列(task list的双向循环链表中,链表中的每个项都是类型为task_struct、称为进程描述符的结构。每个进程描述符包含着一个进程的所有信息,驱动开发中我用得最频繁的有两个成员,pid(进程标识值)comm(当前进程的所执行的程序文件名称)。

来张形象点的图:

获得当前正在进行的进程进程描述符也很简单,使用全局项current就可以获得。

/*4th_mutex/4th_mutex_1/1st/test.c*/

113 P_DEBUG("[%s]:pid[%d]\n", current->comm, current->pid);


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三、进程的状态


我只说5种,其中前两种是之前在等待队列的时候介绍过。

1TASK_RUNNING(运行):该状态出现在进程正在运行,或者已经放在运行队列中等待执行(对应操作系统原理上所说的就绪状态)。这里要注意的是等待执行和休眠是两码事

2TASK_INTERRUPTIBLE(可中断休眠):这就是休眠状态中一种,之所以说可中断,就是说除了可以被其他进程从等待队列唤醒以外,还可以接送到信号而唤醒,这是常用的休眠状态。

3TASK_UNINTERRUPTIBLE(不可中断休眠):这就是休眠状态的另一种,只能从等待队列被唤醒。因为它如此霸道,所以很少有人使用。

4TASK_ZOMBIE(僵死):这种情况出现在进程结束后,但父进程还有来回收该进程的进程描述符

5TASK_STOPPED(停止):一看就知道,进程停止执行。


来个图来对照前四种状态的转换:

由上图可以看到用户空间的进程有fork()系统调用产生,如果运行途中没有任何阻塞,它会在最后调用do_exit将进程的状态转为TASK_ZOMBIE。等待父进程来收尸。接下来就要简单地说一下进程的创建和进程的终结


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四、进程的创建

进程的创建一般分两步:


1、调用fork()

在系统编程时,我们一般都是调用fork()来创建新的用户进程。

先说一下传统的forl()的实现,传统的fork()被调用后,内核会拷贝父进程的所有资源给新建的子进程。要知道这是一个多愚蠢的操作,如果新建子进程是打算执行另一个新程序,之前的拷贝过程就白费了。

出于这样的原因,linuxfork()有了写时拷贝(copy-on-write)技术。从字面上就能理解意思,父进程创建子进程后,他给子进程创建一个文件描述符,并且与子进程以只读方式共享原有的资源,只有在子进程或者父进程修改资源时,资源才会被复制。所以说,在不修改资源的情况下,fork()的实际开销就两样:

1)复制父进程的页表给子进程。大家应该都知道,linux内存管理使用的页式管理,只要也就是说,只要把父进程的页表复制给子进程,子进程就能在页表中找到与父进程共享的4G虚拟地址了。

2)为子进程创建唯一的进程描述符。这个就不用解释了,进程与进程描述符是一一对应的。


fork具体调用的什么函数我就不详细说了,不过应该有这样的一个概念:

fork->clone->do_fork()->copy_procrss

fork()系统调用根据提供的参数调用clone(),然后clone()去调用do_fork(),其中do_fork中完成了创建的大部分操作,里面有一个主要的函数copy_process()


2、调用exec()

一般的,创建的子进程都不是为了完成父进程中的任务,而是需要执行新的任务。exec()的作用就是读取可执行文件并加载到地址空间开始运行,可以类比成命令”./xxxxx”如果fork()后子进程调用exec()执行新的代码,就不需要拷贝父进程的资源了。所以,一般fork()之后都是子进程先运行。


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五、进程的终结:


一般的,进程调用exit()结束进程。相应的,exit()是调用do_exit()进行删除进程的资源和改变进程状态等操作。


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六、什么是进程上下文:


用户态的应用程序执行系统调用时,它就会陷入内核空间,此时,我们称内核“代表进程执行”并处于进程上下文。简单的说,以我们之前写的驱动举例,当应用成调用open,他就会陷入内核调用驱动函数中的test_open,此时内核就 处于进程上下文了。

值得一提的是,在进程上下文时,current始终有效,它还是指向应用层中的进程,所以在”1st”的例子中,tesp_open打印出来的进程号current->pid与应用层是一样的。


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七、线程、进程和内核线程程又是怎么样的关系:


线程,它是进程活动中的对象,最通俗的解释,一个进程里面可以有一个或者多个线程,它们共同享用进程的资源。

内核线程,独立运行在内核空间的标准进程,但没有独立的运行空间,只运行在内核空间,但和普通进程一样被调度和抢占。

总的来说,线程(又叫用户线程)和内核线程都是进程的特殊形式,它们的创建同样也是通过调用clone()它们和进程的最大区别在于它们没有独立的4G虚拟空间

而线程和内核线程的区别就是:线程存在与用户态,内核线程存在与内核态。

同时需要强调的是,进程是存在于用户态的。


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八、总结:


今天只是介绍了进程的一些基本的概念,为以后的进程调度、并发、竞态等理论打基础。


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源代码: 4th_mutex_1.rar  

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给主人留下些什么吧!~~

moshyou2014-12-20 19:58:46