Linux學習筆記零零四

前幾天和同事討論到多核、多任務，感歎寫程式時多線程間同步的麻煩，擔心寫出來的程式會出問題，聽說多任務是比爾蓋茨發明的，然後，討論到如果這個世界沒有多任務會怎麼辦？

 

一個cpu在同一時間只能幹一件事情，所謂的多任務實際上是假的分時機制，我有一個同事寫了一個單片機上的類似於UCOS的作業系統，採用定時器

 

中斷來實現任務的切換以及以訊息驅動之。這種做法和現代作業系統中的多任務有什麼區別呢？

 

Linux對進程的定義有四個要素：有一段可以執行的代碼、有獨立的使用者空間、有系統堆棧、有task_struct。

 

如果沒有獨立的使用者空間，那就叫線程；如果完全沒有使用者空間，那就叫核心線程。

 

可以從Linux如何?多任務來理解這四個要素；每個進程都有自己的4G的虛擬位址空間。使用者進程間互不干擾。即使用者進程A不可以訪問使用者進程B的

 

空間；使用者進程B不可以訪問使用者進程A的空間。這是現代作業系統與簡單的作業系統之間的差異。在UCOS和我同事的那個系統中，實現進程切換的機

 

制和現代作業系統的類似，不同之處在於，簡單的作業系統上，進程之間沒有獨立性；也就是儲存管理做的那部分工作。這也是現代作業系統能夠分成

 

作業系統層、應用程式層，以及在應用程式層上面有那麼多應用的原因。從這個角度看，簡單作業系統無論多開放，它還是封閉的，這種特性決定了它無法發展

 

起來。

 

Linux是如何做到進程間相互獨立的呢？就是通過它的儲存管理機制和進程管理機制。一段可執行代碼、一個獨立的使用者空間、一塊系統堆棧空間和

 

一個task_struct結構；其中，系統堆棧空間和task_struct在系統空間，必須在系統模式下修改；而獨立的使用者空間和可執行代碼，它所隱含的意

 

思是：使用者進程能夠修改自己分配的空間的內容，不能修改不是自己分配的空間的內容，這樣，就保證了進程間的獨立。

 

我們可以想象進程的行為：

 

1. 進程的誕生，在系統模式下，為一個進程分配系統堆棧、task_struct；

 

2. 匯入一段可執行程式碼片段，根據程式碼片段中的內容，分配使用者空間中的全域變數和靜態變數，並分配好堆棧空間；

 

3. 執行程式碼片段，當需要的資料在棧中操作時，調整棧指標，MMU將虛擬位址映射到物理地址。

 

4. 執行程式碼片段，當需要的資料在堆中操作時，首先請求分配堆，進入核心模式，分配相應的虛擬位址空間，並加入task_struct中的虛存區間列表

 

中，同時分配物理頁面，在頁目錄表和頁表中加入相應的項，建立映射關係；然後訪問這些虛擬位址，由MMU進行地址映射。

 

核心是如何管理進程的？

 

有兩個部分：進程的建立和進程的調度與切換。

 

進程在系統空間中有兩部分，task_struct結構和系統堆棧空間，佔據了8K的物理空間，連續的兩個頁表。task_struct是進程的ID，核心通過

 

task_struct來管理進程，在task_struct中有四個隊列：

 

1. 線性隊列，用於遍曆整個task_struct列表；

2. 樹形隊列；在Linux中，進程必須由進程來建立，這樣就行了了父子關係，兄弟關係。通過樹形隊列，可以將所有的task_struct聯絡起來；

3. hash表；每個進程都有一個id，叫pid；核心在根據pid尋找進程時，用散列表方法速度更快；

4. 可執行隊列；進程有五種狀態：就緒、暫停、死亡、淺度休眠和深度休眠。其中正在執行的進程狀態也是就緒。

 

核心是如何調度進程的呢？這裡有兩個概念：核心線程和進程的系統空間；比如任務調度線程，就是核心線程，它的任務是根據當前處於就緒態的進

 

程的優先順序還有一些參數，計算出權值，決定調度那個進程。它如何擷取處於就緒態的進程的資訊呢？通過task_struct結構；

 

這裡有兩種方法：

1. 將當前進程的task_struct的地址儲存在某個位置，當需要時，讀取該地址。

2. 當需要擷取當前進程的task_struct地址時，計算它！

 

Linux採用的是第二種辦法，由於系統堆棧和task_struct處於連續的兩個4K的物理頁面中，而且task_struct位於低地址，有一個專用的寄存器叫

 

ESP，它指向當前進程的系統堆棧，通過計算可得到當前進程的task_struct地址。

 

進程的調度：在進程的調度時，要切換上下文；上下文包括：

 

1. 通用寄存器組；

2. 段寄存器組：CS、DS、ES、SS、FS；

3. 指令地址寄存器：EIP；

4. 特殊寄存器：EFLAGS；

5. 控制寄存器CR3；這個寄存器記錄了頁碼錶的地址，在任務切換時，要將進程的頁碼錶地址匯入該寄存器。

 

在系統堆棧還記錄一些資訊：

1. 通過系統調用進入系統模式時，要入系統棧；

2. 中斷時要入系統棧；