Linux内核学习笔记——进程

    1、什么是进程？    
        进程是程序动态运行的结果，它不但包括程序的占用的内存，还包括程序执行期间所占用的资源，例如打开的文件描述符，内存地址空间等。
    
    2、Linux在内核当中用什么样的数据结构来表示进程？怎样才能在内核中找到它？
        内核利用task_struct结构来描述一个进程，称之为进程描述符。在Linux中有如此之多的进程描述符（多任务操作系统），以至于Linux内核采用双向链表的形式进行存放，称之为任务队列。同时，根据进程的不同状态，又分为可运行的任务队列，暂停的任务队列，可中断的等待任务队列，不可中断的任务队列，以及僵尸任务队列（猜测）。
        Linux通过slab分配器分配task_struct结构，由于进程创建销毁频繁，看来slab分配器至少做到了一点：创建了一个task_struct 的内存池。
        怎样才能在内核中找到它？  在进程上下文中，Linux内核如何找到task_struct的。原来每个进程（进程与线程等价）在内核当中也有一个栈。内核栈的栈底会有一个thread_info的结构，它的第一个成员指向了task_stuct。以下是thread_info的结构体：
        thread_info定义在arch/x86/include/asm/thread_info.h下：

struct thread_info {

        struct task_struct      *task;                         /* main task structure，指向task_struct结构 */

        struct exec_domain      *exec_domain;         /* execution domain */

        __u32                   flags;                               /* low level flags */

        __u32                   status;                             /* thread synchronous flags */

        __u32                   cpu;                                /* current CPU */

        int                     preempt_count;                 /* 0 => preemptable, <0 => BUG */

        mm_segment_t            addr_limit;

        struct restart_block    restart_block;

        void __user             *sysenter_return;

#ifdef CONFIG_X86_32

        unsigned long           previous_esp;               /* ESP of the previous stack in case of nested (IRQ) stacks，保存上一个栈帧的ESP的值 */

        __u8                    supervisor_stack[0];

#endif

        int                     uaccess_err;

};

           以上分析了，进程描述符的组织结构，在内核变成当中我们又应该用什么方法去的进程描述符呢？ current_thread_info()->task.其中在x86中current_thread_info的实现如下：
            mov $-8192, %eax
            andl %esp, %eax
            8192指明了栈的大小，在用户态下，EBP指向了栈帧的底部，ESP指向了栈帧的顶部，函数在开始执行之前总是会执行ESP - K的操作，函数中申请的局部变量占K个字节。也就是说，
在函数执行期间，栈帧大小相对固定。所以内核栈应该是这样子的，它的大小是8K，高内存地址是栈低，thread_info就保存在栈底，接下来通过ESP减操作，为局部变量申请空间。利用
current_thread_info()->task获得当前进程的描述符。

    3、Linux进程的进程状态？
        Linux是多任务抢占式操作系统中，只有处于可运行状态的进程才会被调度。进程状态，以及状态之间的转换有以下情况：            

·可运行状态(TASK_RUNNING)：进程要么在CPU上执行，要么准备执行。

·可中断的等待状态(TASK_INTERRUPTIBLE) : 进程被挂起。硬件中断或信号可唤醒它

·不可中断的等待状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE) : 信号不能唤醒。
暂停状态(TASK_STOP) : 程序受到了信号，暂停运行（CTL-Z）。

                           ·僵死状态(TASK_ZOMBIE)：就是所谓的僵尸状态。
        http://blog.csdn.net/mu0206mu/article/details/7348618 对状态之间的转换做了详细的解释。注意task_struct以队列形式组织，但是也以状态进行区分（即多个队列）。
        那么可调用的函数是： set_task_state(task, state)
    
    4、进程上下文的解释？
         这是Linux内核执行程序时代表的三种执行环境。进程上下文是指：用户程序通过系统调用和出发异常，陷入内核，内核代表进程做内核部分的工作。体会到进程上下文的一次经历就是
          在进程上下文、软中断之间加锁的问题上。

    3、进程之间存在父子关系，那么new一个新的进程时，进程之间的资源是如何共享的？
         所有的进程组织成一棵树，同时由于进程描述符链表组织，利用next_task(task)、prev_task(task)、for_each_process(task)可遍历整个队列。（一般别这么做，浪费时间）。       
         要想弄清楚进程之间资源的共享情况，需要从fork开始说起，它创建了一个新的进程。创建过程如下：Linux通过clone系统调用实现fork，即fork函数根据自己的需要，向clone传递参数，表明父子进程之间需要共享的资源。然后clone又通过调用do_fork 函数完成进程创建。主要工作如下：1、为新进程创建一个内核栈、thread_info结构和task_struct，内容与当前进程的值一致，此时父子进程的进程描述符是完全一致的。2、将新的进程描述符中关于统计信息的变量都设置为0，其他大部分数据保持共享。3、更新新的进程描述符的PID以及PPID的值。4、根据传递给clone的参数标志，do_fork共享相关的变量。
        那么到底fork传递给clone函数哪些参数呢？  要好好看看clone这个函数了。

    4、Linux是如何实现线程的？
        Linux内核既没有为线程创建特殊的数据结构，也没有为之准备特殊的调度算法。Linux把所有的线程都当作是进程，所以线程就被是为是一个与其它进程共享某些资源的进程。所以每个线程都拥有唯一的属于自己的task_struct。
        clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0)     相当于创建了线程
       clone(CLONE_SIGHAND, 0) 相当于创建了进程
    
    5、内核进程。独立运行在内核空间的进程，没有标准的进程空间，它只在内核空间运行，从来不切换到用户空间去，内核进程和普通进程一样，可以被调度，也可以被抢占。
           这些线程在系统启动时只能由另外一些内核线程启动。调用kernel_thread函数。

    如有错误之处，欢迎批评指正。