第10章Linux操作系統本章內容：進程管理,存儲管理,文件系統，設備管理，中斷、異常及系統調用，進程通信。10.1

進程管理內容進程描述符；進程的調度時機及調度算法；進程的創建與消亡。10.1.1進程與進程描述符1.進程概念

2.進程描述符(進程控制塊)

由一個task_struct結構表示。task_struct結構是一個復雜的結構，占一千多字節，其各個成員用來準確描述進程在各方面的信息.主要有以下幾個部分：

Linux進程與傳統UNIX進程的概念沒有多大區別；沒有真正意義上的線程概念。但Linux通過clone（）系統調用支持輕權進程;Linux還支持內核線程的概念，內核線程永遠在核心態運行，沒有用戶空間。(1)進程標識

包括進程的標識號（pid）、進程的用戶標識、進程的組標識等。每個進程的標識號是惟一的。

(2)調度相關信息

這部分內容與進程調度有關,一部分信息見后面的第5節。進程描述符中還需要有結構保存當進程被換出時寄存器的狀態，該進程恢復運行時便可從正確的狀態開始繼續運行。(3)進程虛擬空間信息

Linux的進程都在自己的私有地址空間中運行，task_struct的成員mm指向一個mm_struct結構，該結構描述進程空間。

(7)描述進程間關系的指針

所有的進程通過一個雙向鏈表鏈接在一起。通過宏for_each_task可以對每個進程操作。指向其父進程、子進程、兄弟進程描述符的指針。需要根據pid號能夠快速找到進程，系統以pid為關鍵字建立了一個哈希表,哈希函數值相同的進程通過進程描述符的pidhash_next和pidhash_pprev成員鏈在一起。10.1.2核心態與核心棧uniontask_union{ structtask_structtask; unsignedlongstack[2048];};

Linux的運行分為兩種模式──核心態和用戶態。內核總在核心態下運行，而普通進程通常在用戶模式下運行，只有通過系統調用才能切換到核心態運行。進程擁有兩個棧，用戶模式棧與核心模式棧，分別在相應模式下使用。進程描述符和進程核心棧的空間分配在一起，內核為它們分配兩個連續的物理頁面。

因為進程描述符已經占用了1KB多的空間，所以核心棧的有效空間是6KB多一點，合理的設計使得這個容量已經足夠了。核心棧與進程描述符如圖10－1所示。兩個物理頁幀8KB進程描述符核心模式棧圖10－1核心棧與進程描述符棧自頂向下增長

TASK_STOPPED：進程處于暫停狀態，主要用于調試目的。如正在運行的進程收到SIGSTOP信號將進入TASK_STOPPED狀態。

TASK_ZOMBIE：表示進程已經結束運行并釋放了大部分占用的資源，但task_struct結構還未被釋放。10.1.4進程的切換時機當前進程放棄CPU的情況可以分為兩種。一、進程主動地放棄CPU

這種情況大體可以分為兩類：

1.隱式地主動放棄CPU。往往是因為需要的資源目前不能獲取，如執行read(),select()等系統調用的過程中,這種情況下的處理過程如下：

1)將進程加入合適的等待隊列。

2)把當前進程的狀態改為TASK_INTERRUTIBLE或TASK_UNINTERRUTIBLE。

3)調用schedule()函數，該函數的執行結果往往是當前進程放棄CPU。

進程的調度時機

進程的調度時機分成兩種情形：

例如，進程被動放棄CPU的情形。當進程描述符的need_resched被置1時，并不立即直接調用schedule（）調度函數。而是在隨后的某個時刻，當進程從內核態返回用戶態之前檢查need_resched是否為1，如果為1，則調用schedule（）調度函數。直接調用schedule（）調度函數，例如進程主動放棄CPU的第一類情形；間接調用schedule（）。10.1.5進程的調度算法

核心函數是schedule(),該函數的任務是選出一個可運行的進程。1.進程描述符有如下成員與調度有關：

1)policy標識進程的調度策略。

SCHED_OTHER普通進程；SCHED_FIFO實時進程，采用先進先出的調度算法；SCHED_RR實時進程，采用輪轉法。2)rt_priority實時進程的優先級,普通進程不使用這個成員;3)nice普通進程的優先級;4)counter進程目前的CPU時間配額。2.對于普通進程來講CPU時間的分配是典型的時分策略。

在某個時刻，運行隊列中的每個進程都有一個counter值，當所有運行隊列中的counter值都變為0以后，表明一輪已經結束，每個進程的counter根據其nice重新賦值，開始新的一輪執行過程。擁有CPU的進程每次時鐘中斷counter值減一。

5)現在進入了函數的核心部分?？蛇\行進程隊列的每個進程都將被計算出一個權值，主要是利用goodness（）函數，討論見后。最終最大的權值保存在變量c中，與之對應的進程描述符保存在變量next中。6)檢查c是否為0。若為0則表明所有可執行進程的時間配額都已用完，因而對所有進程的counter重新“充電”，然后重新執行第5)步。7)如果next進程就是當前進程,則結束shedule()的運行。否則進行進程切換，CPU改由next進程占據。

4.goodness（）函數

goodness（）函數計算進程的當前權值。該函數的第一個參數是待估進程的描述符。

如果該進程是實時進程，它的權值為1000＋rt_priority，1000是普通進程權值無法到達的數字，因而實時進程總可以優先得到執行。對于普通進程，它的權值為counter＋20-nice，如果其又是內核線程，由于無需切換用戶空間，則將權值加一作為獎勵。10.1.6進程的創建1.進程的起源

Linux最早產生的進程是啟動過程中創建出idle進程（不是通過fork（），而是編碼制作出來)，pid號為0。它是創建一個內核線程，該線程進行一系列初始化動作后最終會執行/sbin/init文件，執行該文件的結果是運行模式從核心態切換到了用戶態，該線程演變成了用戶進程init，pid號為1。init進程是一個非常重要的進程，一切用戶態進程都是它的后代進程。intmain(void){ pid_tpid; if((pid=fork())<0){printf("forkfailed\n");exit(1); } elseif(pid==0){/*子進程執行進入此部分*/ execlp("echoall","echoall",(char*)0); }else{/*父進程*/ printf("forksuccess\n");exit(0);}}

3.sys_clone(),sys_vfork(),sys_fork()三個系統調用可以實現創建子進程，這三個系統調用最終都會調用do_fork（）函數完成主要工作。該函數的第一個參數clone_flags可由多個標志位組成，常見的標志位有：CLONE_VM

子進程父進程共享進程空間;CLONE_FS子進程父進程共享文件系統信息;CLONE_FILES

子進程父進程共享打開的文件;CLONE_VFORK

如果父進程想使子進程釋放空間時喚醒它，則置該位。

sys_clone（）對應的clone_flags可能是多個標志位的組合，取決于具體情況。

sys_fork（）對應的clone_flags值是SIGCHILD。SIGCHILD的作用是子進程終結或暫停時給父進程發信號。

sys_vfork（）對應的clone_flags值是CLONE_VFORK|CLONE_VM|SIGCHILD。

vfork（）是一個老的函數調用，子進程共享父進程的空間，包括頁表，父進程被掛起直到子進程執行exec系列函數或子進程退出時。在合適的場合，較之fork（）時的“寫時拷貝”策略vfork（）無疑開銷更小。

5)調用get_pid()函數為子進程得到一個pid號。6)依次調用copy_files(),copy_fs(),copy_sighand(),copy_mm()分別復制父進程文件處理、信號處理及進程空間的信息。以上函數的具體行為取決clone_flags參數，例如,copy_mm()時,如果clone_flags包含有CLONE_VM標志，則子進程共享父進程的空間，不會進行復制。7)調用copy_thread()初始化子進程的核心模式棧時,核心棧保存了進程返回用戶空間的上文。此處與平臺相關，以i386為例，其中很重要的一點是存儲寄存器eax值的位置被置0,這個值就執行系統調用后子進程的返回值。

8)將父進程的當前的時間配額counter分一半給子進程。9)利用宏SET_LINKS將子進程插入所有進程都在其中的雙向鏈表。調用hash_pid（）,將子進程加入相應的hash隊列。10)調用wake_up_process(),將該子進程插入可運行隊列。至此，子進程創建完畢,并在可運行隊列中等待被調度運行。11)如果clone_flags包含有CLONE_VFORK標志，則將父進程掛起直到子進程釋放進程空間。進程描述符中有一個信號量vfork_sem可以起到將進程掛起的作用。12)返回子進程的pid值，該值就是系統調用后父進程的返回值。4)設置進程的退出狀態，調用exit_notify()處理該進程與其父進程和子進程的各種關系。在該函數中會將該進程狀態置為TASK_ZOMBIE。5)調用schedule（）調度函數切換到別的進程。

3.TASK_ZOMBIE進程

在do_exit（