Linux系統分析之進程

1. 什麼是進程

進程是處於執行期的程式以及它所包含的所有資源的總稱，包括虛擬處理器，虛擬空間，寄存器，堆棧，全域資料段等。

 

在Linux中，每個進程在建立時都會被分配一個資料結構，稱為進程式控制制塊（Process Control Block，簡稱PCB）。PCB中包含了很多重要的資訊，供系統調度和進程本身執行使用。所有進程的PCB都存放在核心空間中。PCB中最重要的資訊就是進程PID，核心通過這個PID來唯一標識一個進程。PID可以迴圈使用，最大值是32768。init進程的pid為1，其他進程都是init進程的後代。

 

除了進程式控制制塊（PCB）以外，每個進程都有獨立的核心堆棧（8k），一個進程描述符結構，這些資料都作為進程的控制資訊儲存在核心空間中；而進程的使用者空間主要儲存代碼和資料。

 

2) 進程的建立

進程是通過調用::fork()，::vfork()和::clone()系統調用建立新進程。在核心中，它們都是調用do_fork實現的。傳統的fork函數直接把父進程的所有資源複製給子進程。而Linux的::fork()使用寫時拷貝頁實現，也就是說，父進程和子進程共用同一個資源拷貝，只有當資料發生改變時，資料才會發生複製。通常的情況，子進程建立後會立即調用exec()，這樣就避免複製父進程的全部資源。

 

三者的區別如下：

::fork()：父進程的所有資料結構都會複製一份給子進程（寫時拷貝頁）。

::vfork()：只複製task_struct和核心堆棧，所以產生的只是父進程的一個線程（無獨立的使用者空間）。

::clone()：功能強大，帶了許多參數。::clone()可以讓你有選擇性的繼承父進程的資源，既可以選擇像::vfork()一樣和父進程共用一個虛擬空間，從而使創造的是線程，你也可以不和父進程共用，你甚至可以選擇創造出來的進程和父進程不再是父子關係，而是兄弟關係。

 

 

3. 進程的撤銷

進程通過調用exit()退出執行，這個函數會終結進程並釋放所有的資源。父進程可以通過wait4()查詢子進程是否終結。進程退出執行後處於僵死狀態，直到它的父進程調用wait()或者waitpid()為止。父進程退出時，核心會指定線程組的其他進程或者init進程作為其子進程的新父進程。當進程接收到一個不能處理或忽視的訊號時，或當在核心態產生一個不可恢複的CPU異常而核心此時正代表該進程在運行，核心可以強迫進程終止。

 

4. 進程管理

核心把進程資訊存放在叫做任務隊列（task list）的雙向迴圈鏈表中（核心空間）。鏈表中的每一項都是類型為task_struct，稱為進程描述符結構（process descriptor），包含了一個具體進程的所有資訊，包括開啟的檔案，進程的地址空間，掛起的訊號，進程的狀態等。

 

 

 

Linux通過slab分配器分配task_struct，這樣能達到對象複用和緩衝著色（通過預先分配和重複使用task_struct，可以避免動態分配和釋放所帶來的資源消耗）。

核心把所有處於TASK_RUNNING狀態的進程組織成一個可運行雙向迴圈隊列。調度函數通過掃描整個可運行隊列，取得最值得執行的進程投入執行。避免掃描所有進程，提高調度效率。

 

 

5. 進程的核心堆棧

Linux為每個進程分配一個8KB大小的記憶體地區，用於存放該進程兩個不同的資料結構：thread_info和進程的核心堆棧。

 

進程處於核心態時使用不同於使用者態堆棧，核心控制路徑所用的堆棧很少，因此對棧和描述符來說，8KB足夠了。