《Linux内核设计与实现》之进程1 进程2 线程

1 进程

• 进程=程序+资源，资源包括打开的文件、内核内部数据、CPU状态、挂起的信号
• Linux不特意区分线程和进程（二者都由task_struct结构体表示），线程是一种特殊的进程

1.1 两个虚拟化

现在操作系统中，进程提供两种虚拟机制：虚拟内存和虚拟处理器。

• 虚拟内存：实际上是使用硬盘补足进程的内存，一般电脑的内存为8G，但实际上一个进程可能就要用到多于8G的内存。还有，多个线程共享进程的虚拟内存。
• 虚拟处理器：给进程一种自己独占CPU的假象，但实际上是多个进程共用CPU。还有，每个线程都有自己的虚拟处理器（内核调度的是线程而非进程）。

1.2 任务队列

内核把进程的列表放到名为任务队列的双向循环链表中。链表中的节点类型为task_struct（进程描述符），包含了内核管理进程的所有信息。

Linux通过Slab分配器分配task_struct结构体，在内核栈尾部创建thread_info结构体。
通过预先分配和使用task_struct，避免动态分配和释放的资源消耗。

1.3 task_struct

task_struct状态，僵尸、孤儿进程

1.4 进程家族树

父进程：task_struct中包含名为parent、类型为task_struct的父进程
子进程：还有名为children的子进程链表
兄弟进程：父进程相同的进程被称为兄弟进程
总结：根据这个树形结构，可以从一个进程找到任意一个其他的进程

系统启动的最后阶段，会启动PID=1的init进程，init进程会读取系统的初始化脚本完成系统启动。

1.5 进程创建

Unix采用两个函数来创建进程：fork() 和exec()

1.5.1 fork() 函数

fork() 通过拷贝当前进程创建子进程，子进程与父进程的不同在于：PID、PPID（父进程ID）和某些资源和统计量（例如挂起的信号）

Linux的fork() 使用写时拷贝（copy-on-write）页实现。

1. 内核此时并不复制整个进程空间，而是让父进程和子进程共享同一份拷贝；
2. 需要写入时，进程才会复制数据，此前，进程只以只读权限共享数据；

fork() 的实际开销就是复制父进程的页表和创建子进程的task_struct（进程描述符），优点明显，避免了拷贝大量根本不需要的数据，加快了执行速度。

1.6 进程终结

进程结束时要释放资源并告知父进程，进程的结束大概率是因为显式/隐式调用了exit() 系统调用

1.6.1 do_exit()

exit() 函数可以显示调用，main() 最后也会隐式调用exit() ；但是，进程接收到无法处理也无法忽略的信号时，也可能被动退出。无论是主动还是被动，大部分都会调用do_exit() 函数执行进程终结，该函数步骤：

1. 将task_struct（进程描述符）的标志成员设置为PF_EXITING；

2. 调用del_timer_sync() 删除任意内核定时器。根据返回结果，他确保没有定时器在排队，也没有定时任务在运行；

3. 如果BSD的进程记账功能是开启的，do_exit() 调用acct_update_integrals() 来输出记账信息；（进程记账好像是计算进程占用CPU时间之类的）

4. 调用exit_mm() 释放进程占用的mm_struct，若没有别的进程使用（即没有被共享）就彻底释放；

5. 调用em_exit() 。如果进程排队等待IPC信息（进程间通信），则让它离开该队列；

6. 调用exit_files() 和exit_fs() ，代表文件描述符、文件系统数据的引用计数，如果降为0，则代表没有进程使用该资源，这时进程才能被释放；

7. 把task_struct中的exit_code成员（退出代码）置为exit() 函数或其他。供父进程检索。

8. 调用exit_notify() 向父进程发送信号，给该进程找养父，养父为线程组的其他线程或init进程，并把进程状态改为EXIT_ZOMBIE；（这段不懂的可以看看）

9. 调用schedule() 切换到新的进程。处于EXIT_ZOMBIE的进程（僵尸进程）不会被调度，这时进程的最后代码。do_exit() 永不返回。

   至此，与该进程关联的所有资源（只被该进程使用）被释放。 进程无法被使用（也没有地址空间供它使用）且处于EXIT_ZOMBIE。这时该进程就是僵尸进程，唯一占用的资源就是内核栈、thread_info结构和task_struct结构。 第八点说了会向父进程发送信息，然后父进程理睬的话就会释放该进程所有资源。

1.6.2 删除进程描述符

do_exit()执行完后，该进程状态为EXIT_ZOMBIE（僵尸进程），同时父进程收到子进程结束信号，处理完后才会释放子进程的task_struct。

父进程接受信号的操作是调用wait()函数：该函数会挂起当前进程，直到有子进程退出，返回退出子进程的PID。接下来，调用release_task()函数执行删除进程描述符：

1. 调用_exit_signal()，该函数调用_unhash_process() ，后者又调用detach_pid() 从pidhash删除该进程，同时也要从任务列表中删除该进程；

2. _exit_signal() 释放僵尸进程所使用的的所有剩余资源，并进行最终统计和记录；

3. 如果这个进程是线程组最后一个进程，并且领头进程已经死掉，那么release_task() 就要通知僵死的领头进程的父进程；

4. 调用put_task_struct() 释放进程内核栈和thread_info结构所占有的页，并释放task_struct所占的slab高速缓存；

   至此，进程描述符和进程所占有的资源都释放了。

2 线程

Linux内核其实并不区分进程或线程，因为每个线程也是用task_struct表示，内核只把一组线程当做共享某些资源的普通进程，简单高效。而例如微软的操作系统有专门的线程机制。

2.1 线程的创建

虽然内核不区分，但接下来的讲解为方便理解，可以把进程当作一个资源的容器，线程才实际上执行任务。

线程的创建与进程类似，都是调用clone() 函数，只不过需要一些参数指定要共享的资源：
clone(CLONE_VM | CLONE_FS, 0)，创建的进程和这个父进程就是所说的线程。参数有以下：

2.2 内核线程

内核线程与普通线程的不同点在于：指向地址空间的mm指针为NULL，只在内核空间工作，不会切换到用户空间。

最后

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