第三章 进程管理

主要内容：

• 进程的定义及相关概念
• 内核如何管理进程
• 进程的列举、创建、消亡
• 进程管理是操作系统的心脏

3.1 进程

进程

（1）进程就是出于执行期的程序（目标码存放在某种存储介质上）。进程不局限于一段可执行代码，还包含其他资源（如打开的文件，挂起的信号，处理器状态等等）。

（2）进程定义：处于执行期的程序及相关资源的总称。

（3）内核调度的对象：线程

（4）线程是在进程中活动的对象，每个线程都拥有独立的程序计数器，进程栈，和一组进程寄存器。

（5）Linux线程很特别：对线程和进程不特别区分，线程是特殊的进程。

fork

（6）fork()系统：该
系统调用通过复制一个现有的进程来创建一个全新的进程。

• 父进程：调用fork的进程
• 子进程：新产生的进程

fork调用结束后，在返回相同位置上，父进程恢复执行，子进程开始执行。

（7）fork()系统调用从内核返回两次，一次回到父进程，一次回到子进程。

（8）创建进程的目的：立即执行新的、不同的程序，接着调用
exec()
函数创建新的地址空间，并把新的程序载入其中。

（9）fork()实际上是由clone()系统调用实现的。

（10）退出：通过exit()系统调用退出执行，该函数会终止进程并将占用的资源释放掉。

（11）父进程可以通过wait4()系统调用查看子进程是否终止，使进程拥有了等待特定进程执行完毕的能力。（shell进程中执行应用程序）

（12）进程退出执行后，处于僵死状态，直到它的父进程调用wait()或者waitpid()为止。

（13）别名：进程又称为任务。

3.2

进程描述符及任务结构

    操作系统运行时会有很多进程，内核将多个进程存放在一个双向循环链表中，通过PCB来描述一个进程的所有信息，即进程描述符。它是一个结构体，里面
包含了一个进程的所有信息。如进程的状态，打开的文件，父进程等等。

3.2.1 分配进程描述符

Linux通过slab分配器来分配task_struct结构。在栈底或栈顶创建一个struct thread_info结构体。其中包含PCB的指针。

3.2.2 进程描述符的存放

（1）    内核通过PID来唯一的标识每个进程，pid是一个int数，最大值默认为32768（short），可以修改配置文件来调整，pid存放在进程各自的PCB中。

（2）    访问任务需要获取指向其task_struct的指针

（3）    通过current宏可以查看当前正在运行进程的进程描述符

（4）    指向当前进程task_struct的指针存放在：

• 专门的寄存器
• 栈尾的thread_info结构体中

3.2.3进程的状态

进程描述符PCB中的state域描述了进程当前的状态。
每个进程必然处于5种状态之一。

3.2.4 设置当前进程的状态

set_task_state（task，state）函数将指定的进程设置成指定的状态。

3.2.5 进程上下文

（1）可执行文件被载入到进程的地址空间，一般为用户空间。当程序执行了系统调用或者触发了某个异常，就陷入内核空间。此时我们称处于进程上下文中。

（2）
系统调用，异常处理程序 ：是对内核明确定义的接口，程序只有通过这些接口才能陷入内核执行，对内核所有访问都必须通过这些接口。

3.2.6 进程家族树

（1）
所有进程都是PID为1的init进程的后代。

（2）内核在系统启动的最后阶段启动
init进程，该进程读取系统的初始化脚本并执行其他相关程序，最终完成系统启动的整个过程。

（3）每个进程必有一个父进程，每个进程也可以拥有0个或对个子进程。拥有同一个父进程的所有进程称为兄弟。进程间的关系存放在进程描述符中。

（4）每一个task_struct都包含一个指向父进程的task_struct，叫做partent的指针。还包含一个称为children的子进程链表。

（5）任务队列是循环双向链表，可以通过任一进程获取任一进程。

3.3 进程创建

（1）其他操作系统：在新地址空间里创建进程，读入可执行文件，最后开始执行。

（2）Unix分开成了两部：fork()，exec()；

fork()：拷贝当前进程创建一个子进程，子父进程的区别仅在于PID,PPID和某些资源和统计量（如挂起的信号，子进程没必要继承）。

exec()：读取可执行文件，并将其载入地址空间，并开始运行。

3.3.1 写时拷贝

（1）传统fork()：直接把所有资源复制给新创建的进程，简单但效率低

（2）linux-fork()：通过写时拷贝页实现

（3）
写时拷贝：推迟甚至免除拷贝的一种技术，内核此时并不复制整个进程地址空间，而是让父子进程共享一个拷贝。只有在需要的时候，数据才会被复制，在此之前是以只读的方式共享。

（4）Unix强调进程的快速执行能力。

（5）进程创建后往往会马上执行一个可执行程序，这种优化可以避免拷贝大量根本不会被使用的数据，提高了进程的执行效率。

3.3.2 fork()

（1）Linux通过clone()实现fork()，这个调用通过一系列参数标志来指明父子进程需要共享的资源。

（2）fork()，vfork()，__clone()都根据自己需要的参数标志去调用clone()，然后由clone()调用do_fork()。

（3）do_fork()完成创建进程中的大部分工作，在kernel/fork.c中定义。该函数调用copy_process()函数，然后让进程开始运行。

（4）copy_process()函数：

3.3.3 vfork()

 

3.4 线程在Liuux中的实现

（1）线程和进程一样都是一种抽象概念

（2）线程机制提供了在同一程序内共享内存地址空间运行的一组线程，这些线程可以共享打开的文件和其他资源。

（3）由于线程的存在，在多处理器上可以实现真正的并行处理。

（4）Linux把所有线程都当做普通的进程来看，线程被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。每个线程都拥有唯一属于自己的task_struct。只是线程与其他一些进程共享某些资源，如地址空间。

（5）对于Linux来说，线程只是一种进程间共享资源的一种手段。

3.4.1 创建线程

（1）通过clone()来创建进程，线程也一样通过clone()，但是在调用的时候传入一些标志来指明需要共享的资源：

clone（CLONE_VM |CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND,0）；

上面与调用fork()差不多，只是父子俩共享地址空间，文件系统资源，文件描述符和信号处理程序。

对比一下，一个普通fork()的实现是：

Clone(SIGCHLD,0)；

（2）传递给clone()的参数标志，决定了新创建进程的行为方式和父子进程之间共享的资源种类。如下表：

3.4.2 内核线程

（1）内核线程：独立运行在内核空间的标准进程

（2）可以被调度和抢占

（3）ps –ef：查看内核线程

（4）内核线程的创建

3.5 内核终结

（1）当一个进程终结时，内核必须释放它所占有的资源，并通知父进程。

（2）最终通过do_exit（）来终结进程。其工作为：

3.5.1 删除进程描述符

3.5.2 孤儿进程造成的进退维谷

补充学习：

（1）由进程的创建，来思考
Linux shell中应用程序执行流程？

执行应用程序的方式有很多，从shell中执行是一种常见的情况。交互式shell是一个进程(所有的进程都由pid号为1的init进程fork得到)，当在用户在shell中敲入./test执行程序时：

父进程行为：

• shell先fork()出一个子进程(这也是很多文章中说的子shell)
• wait()这个子进程结束
• 当test执行结束后，又回到了shell等待用户输入(如果创建的是所谓的后台进程，shell则不会等待子进程结束，而直接继续往下执行)。
• 所以shell进程的主要工作是复制一个新的进程，并等待它的结束。

子进程行为：

• 调用execve()加载test并开始执行。这是test被执行的关键。
• 子进程通过execve系统调用启动加载器。加载器删除子进程已有的虚拟存储段，并创建一组新的代码、数据、堆、栈段，新的堆和栈被初始化为零。通过将虚拟地址空间中的页映射到可执行文件的页大小组块，新的代码和数据段被初始化为可执行文件的内容，最后将CUP指令寄存器设置成可执行文件入口，启动运行。

execve()是操作系统提供的非常重要的一个系统调用，在很多文章中被称为exec()系统调用(注意和shell内部exec命令不一样)，其实在Linux中并没有exec()这个系统调用，exec只是用来描述一组函数，它们都以exec开头，分别是：

int execl(const char *path, const char*arg, …);

int execlp(const char *file, const char*arg, …);

int execle(const char *path, const char*arg, …, char *const envp[]);

int execv(const char *path, char *constargv[]);

int execvp(const char *file, char *constargv[]);

int execve(const char *path, char *constargv[], char *const envp[]);

库函数exec*都是execve的封装例程。

（2）系统调用

（3）exec()函数

（4）init进程