Linux读书笔记第三、四章

时间：2023-03-09 20:16:35
Linux读书笔记第三、四章

第三章

主要内容：

  • 进程和线程
  • 进程的生命周期
  • 进程的创建
  • 进程的终止

1. 进程和线程

进程和线程是程序运行时状态，是动态变化的，进程和线程的管理操作(比如，创建，销毁等)都是有内核来实现的。

Linux中的进程于Windows相比是很轻量级的，而且不严格区分进程和线程，线程不过是一种特殊的进程。

所以下面只讨论进程，只有当线程与进程存在不一样的地方时才提一下线程。

进程提供2种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存

每个进程有独立的虚拟处理器和虚拟内存，

每个线程有独立的虚拟处理器，同一个进程内的线程有可能会共享虚拟内存。

内核中进程的信息主要保存在task_struct中(include/linux/sched.h)

进程标识PID和线程标识TID对于同一个进程或线程来说都是相等的。

Linux中可以用ps命令查看所有进程的信息：

ps -eo pid,tid,ppid,comm

2. 进程的生命周期

进程的各个状态之间的转化构成了进程的整个生命周期。

3. 进程的创建

Linux中创建进程与其他系统有个主要区别，Linux中创建进程分2步：fork()和exec()。

fork: 通过拷贝当前进程创建一个子进程

exec: 读取可执行文件，将其载入到内存中运行

创建的流程：

  1. 调用dup_task_struct()为新进程分配内核栈，task_struct等，其中的内容与父进程相同。
  2. check新进程(进程数目是否超出上限等)
  3. 清理新进程的信息(比如PID置0等)，使之与父进程区别开。
  4. 新进程状态置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE
  5. 更新task_struct的flags成员。
  6. 调用alloc_pid()为新进程分配一个有效的PID
  7. 根据clone()的参数标志，拷贝或共享相应的信息
  8. 做一些扫尾工作并返回新进程指针

创建进程的fork()函数实际上最终是调用clone()函数。

创建线程和进程的步骤一样，只是最终传给clone()函数的参数不同。

比如，通过一个普通的fork来创建进程，相当于：clone(SIGCHLD, 0)

创建一个和父进程共享地址空间，文件系统资源，文件描述符和信号处理程序的进程，即一个线程：clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0)

在内核中创建的内核线程与普通的进程之间还有个主要区别在于：内核线程没有独立的地址空间，它们只能在内核空间运行。

这与之前提到的Linux内核是个单内核有关。

4. 进程的终止

和创建进程一样，终结一个进程同样有很多步骤：

子进程上的操作(do_exit)

  1. 设置task_struct中的标识成员设置为PF_EXITING
  2. 调用del_timer_sync()删除内核定时器, 确保没有定时器在排队和运行
  3. 调用exit_mm()释放进程占用的mm_struct
  4. 调用sem__exit()，使进程离开等待IPC信号的队列
  5. 调用exit_files()和exit_fs()，释放进程占用的文件描述符和文件系统资源
  6. 把task_struct的exit_code设置为进程的返回值
  7. 调用exit_notify()向父进程发送信号，并把自己的状态设为EXIT_ZOMBIE
  8. 切换到新进程继续执行

子进程进入EXIT_ZOMBIE之后，虽然永远不会被调度，关联的资源也释放掉了，但是它本身占用的内存还没有释放，
比如创建时分配的内核栈，task_struct结构等。这些由父进程来释放。

父进程上的操作(release_task)

父进程受到子进程发送的exit_notify()信号后，将该子进程的进程描述符和所有进程独享的资源全部删除。

从上面的步骤可以看出，必须要确保每个子进程都有父进程，如果父进程在子进程结束之前就已经结束了会怎么样呢？

子进程在调用exit_notify()时已经考虑到了这点。

如果子进程的父进程已经退出了，那么子进程在退出时，exit_notify()函数会先调用forget_original_parent()，然后再调用find_new_reaper()来寻找新的父进程。

find_new_reaper()函数先在当前线程组中找一个线程作为父亲，如果找不到，就让init做父进程。(init进程是在linux启动时就一直存在的)

第四章

主要内容：

  • 什么是调度
  • 调度实现原理
  • Linux上调度实现的方法
  • 调度相关的系统调用

1. 什么是调度

现在的操作系统都是多任务的，为了能让更多的任务能同时在系统上更好的运行，需要一个管理程序来管理计算机上同时运行的各个任务（也就是进程）。

这个管理程序就是调度程序，它的功能说起来很简单：

  1. 决定哪些进程运行，哪些进程等待
  2. 决定每个进程运行多长时间

此外，为了获得更好的用户体验，运行中的进程还可以立即被其他更紧急的进程打断。

总之，调度是一个平衡的过程。一方面，它要保证各个运行的进程能够最大限度的使用CPU(即尽量少的切换进程，进程切换过多，CPU的时间会浪费在切换上)；另一方面，保证各个进程能公平的使用CPU(即防止一个进程长时间独占CPU的情况)。

2. 调度实现原理

前面说过，调度功能就是决定哪个进程运行以及进程运行多长时间。

决定哪个进程运行以及运行多长时间都和进程的优先级有关。为了确定一个进程到底能持续运行多长时间，调度中还引入了时间片的概念。

2.1 关于进程的优先级

进程的优先级有2种度量方法，一种是nice值，一种是实时优先级。

nice值的范围是-20～+19，值越大优先级越低，也就是说nice值为-20的进程优先级最大。

实时优先级的范围是0～99，与nice值的定义相反，实时优先级是值越大优先级越高。

实时进程都是一些对响应时间要求比较高的进程，因此系统中有实时优先级高的进程处于运行队列的话，它们会抢占一般的进程的运行时间。

3. Linux上调度实现的方法

Linux上的调度算法是不断发展的，在2.6.23内核以后，采用了“完全公平调度算法”，简称CFS。

CFS算法在分配每个进程的CPU时间时，不是分配给它们一个绝对的CPU时间，而是根据进程的优先级分配给它们一个占用CPU时间的百分比。

比如ProcessA(NI=1)，ProcessB(NI=3)，ProcessC(NI=6)，在CFS算法中，分别占用CPU的百分比为：ProcessA(10%)，ProcessB(30%)，ProcessC(60%)

因为总共是100%，ProcessB的优先级是ProcessA的3倍，ProcessC的优先级是ProcessA的6倍。

4. 调度相关的系统调用

调度相关的系统调用主要有2类：

1) 与调度策略和进程优先级相关 (就是上面的提到的各种参数，优先级，时间片等等) - 下表中的前8个

2) 与处理器相关 - 下表中的最后3个

系统调用

描述

nice()

设置进程的nice值

sched_setscheduler()

设置进程的调度策略，即设置进程采取何种调度算法

sched_getscheduler()

获取进程的调度算法

sched_setparam()

设置进程的实时优先级

sched_getparam()

获取进程的实时优先级

sched_get_priority_max()

获取实时优先级的最大值，由于用户权限的问题，非root用户并不能设置实时优先级为99

sched_get_priority_min()

获取实时优先级的最小值，理由与上面类似

sched_rr_get_interval()

获取进程的时间片

sched_setaffinity()

设置进程的处理亲和力，其实就是保存在task_struct中的cpu_allowed这个掩码标志。该掩码的每一位对应一个系统中可用的处理器，默认所有位都被设置，即该进程可以再系统中所有处理器上执行。

用户可以通过此函数设置不同的掩码，使得进程只能在系统中某一个或某几个处理器上运行。

sched_getaffinity()

获取进程的处理亲和力

sched_yield()

暂时让出处理器

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