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1、LINUX原理及应用,武汉大学计算机学院 郑鹏 Email:pzheng51,第2章 Linux进程管理,程序是为了完成某种任务而设计的软件，是存储在磁盘上包含可执行的机器指令和数据的静态实体。进程是一个程序的一次执行的过程，在操作系统中执行特定的任务，是一个随执行过程不断变化的实体。进程是Linux系统中基本的调度单位。 进程具有独立的权限与职责，如果系统中某个进程崩溃，它不会影响到其余的进程。每个进程运行在其各自的虚拟地址空间中，通过内核控制下的通信机制，它们之间才能发生联系。 进程在生命期内将使用系统中的资源。它利用系统中的CPU来执行指令，用物理内存来放置指令和数据。使用文件系统提供的
2、功能打开并使用文件，同时直接或者间接地使用物理设备。,2.1 Linux进程,在Linux系统中，进程被称为任务。 进程存在于系统的内存之中，是操作系统可感知、可控制的动态实体。Linux的进程在处理机上运行时，处理机提供了两种不同的执行状态： 内核态(kernel mode) 用户态(user mode),2.1 Linux进程,内核态又称系统态，它具有较高的特权，能执行所有的机器指令，能访问所有的寄存器和存储区域，能直接控制所有的系统资源。Linux在执行内核程序时是处于内核态下。 用户态是进程的普通执行状态，在用户态下进程具有较低的特权，只能执行规定的机器指令，不能执行特权指令。进程在用
3、户态下只能访问进程的存储空间。在用户态下进程不能与系统硬件相互作用，不能访问系统资源。 在I386结构中，内核态的特权级为0，用户态的特权级为3。,2.1 Linux进程,存放在磁盘上的可执行文件的代码和数据的集合称为可执行映象(Executable Image)。当它被装入系统中运行时，它就形成了一个进程。Linux进程是由三部分组成： (1) 正文段（text）：存放程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么它们就可以使用相同的正文段，正文段具有只读的属性。 (2) 用户数据段（user segment）：是进程在运行过程中处理数据的集合，它们是进程直接进行操作的所有数据
4、（包括全部变量在内），以及进程使用的进程堆栈。 (3) 系统数据段（system segment）：存放着进程的控制信息，即进程控制块（PCB），它存放了程序的运行环境。Linux中进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构，它称为任务结构体。任务结构体是进程存在的唯一标志。,2.1 Linux进程,系统为每个进程分配一个独立的虚拟地址空间。进程的虚拟地址空间被分做两个部分： 用户空间。用户进程本身的程序和数据（可执行映象）映射到用户空间中。 系统空间。内核被映射到所有进程的系统空间中。它们只允许在具有较高特权的内核态下访问。进程运行在特权较低的用户态下时，不允许它直接访问系统空
5、间。进程只能通过系统调用(system call)转换为内核态后，才能访问系统空间。一个进程在运行过程中，总是在两种执行状态之间不断地转换。,2.1 Linux进程,进程上下文：系统提供给进程的处于动态变化的运行环境总和。 系统中的每一个进程都有它自己的上下文。 Linux操作系统包括三种不同类型的进程，每种进程都有自己的特点和属性。 (1) 交互进程由一个Shell启动的进程。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。 (2) 批处理进程这种进程和终端没有联系，是一个进程序列。 (3) 守护进程Linux系统启动时启动的进程，并在后台运行。,2.2 描述进程的数据结构,Linux的进程控制
6、块用任务结构体task_struct描述。Linux在内核空间专门开辟一个指针数组task，该数组的每一个元素是一个指向任务结构体的指针，所以task数组又称为task向量。将所有进程控制块task_struct的指针存储在task数组中，以便有效地管理。task数组大小限制了系统并发执行的进程总数，而物理内存的大小决定了系统中的最大进程数。在2.4.0版本中，每个task_struct结构占1680字节。,2.2 描述进程的数据结构,task_struct容纳了一个进程的所有信息，我们主要对如下几个方面的信息进行介绍。 (1) 进程的状态和标志信息 (2) 进程的调度信息 (3) 进程的标识
7、信息 (4) 进程间通信信息 (5) 进程的家族关系 (6) 时间和定时信息 (7) 文件系统信息 (8) 存储管理信息 (9) CPU现场保留信息,2.2.1进程的状态和标志信息,2.2.1进程的状态和标志信息,1state项 task_struct中的state项表示进程当前的状态。 Linux系统的不同版本，其进程也略有不同。,2.2.1进程的状态和标志信息,Linux系统(2.2.x-2.4.x版本)进程状态表,2.2.1进程的状态和标志信息,Linux系统(2.6版本)进程状态表,2.2.1进程的状态和标志信息,TASK_RUNNING ：进程当前正在运行，或正在运行队列中等待调度。
8、 TASK_INTERRUPTIBLE ：进程处于睡眠状态，正在等待某些事件发生。进程可以被信号中断。接收到信号或被显式的唤醒之后，进程将转换为TASK_RUNNING状态。 TASK_UNINTERRUPTIBLE ：此进程状态类似于TASK_INTERRUPTIBLE ，只是它不会处理信号。中断处于这种状态的进程是不合适的，因为它可能正在完成某些重要的任务。当它所等待的事件发生时，进程将被显式地唤醒。 TASK_STOPPED ：进程已中止执行，它没有运行，并且不能运行。接收到 SIGSTOP 和 SIGTSTP 等信号时，进程将进入这种状态。接收到 SIGCONT 信号之后，进程将再次变
9、得可运行。 TASK_TRACED ：正被调试程序等其他进程监控时，进程将进入这种状态。 EXIT_ZOMBIE ：进程已终止，它正等待其父进程收集关于它的一些统计信息。 EXIT_DEAD ：最终状态（正如其名）。将进程从系统中删除时，它将进入此状态，因为其父进程已经通过 wait4() 或 waitpid() 调用收集了所有统计信息。,2.2.1进程的状态和标志信息,进程状态转换,2.2.1进程的状态和标志信息,2flags项 task_struct中的flags项表示进程的标志。,2.2.2进程的调度信息,进程的类别、调度策略、优先级等调度属性反映了进程的调度信息。task_struct
10、中的policy、priority、rt_priority、counter、nice等项与进程调度有关。 policy表示进程的进程调度策略，可以通过系统调用sys_sched_setscheduler()更改(kernel/sched.c)。Linux操作系统采用的调度策略见下表 。,2.2.2进程的调度信息,priority表示进程优先级，其值给出了进程每次获取CPU后，可使用的时间（按jiffies计）。 rt_priority给出实时进程的优先级，rt_priority+1000给出进程每次获取CPU后，可使用的时间(同样按jiffies计)。 在轮转法(round robin)调度时
11、表示进程当前还可运行多久。在进程开始运行时被赋为priority的值，以后每隔一个tick（时钟中断）递减1，减到0时引起新一轮调度。重新调度将从run-queue队列选出counter值最大的就绪进程获得CPU，因此counter起到了进程的动态优先级的作用（priority则是静态优先级）。counter表示进程当前还拥有的时间片，nice表示普通进程的动态优先级，可对优先权进行动态调整。,2.2.3进程的标识信息,task_struct中： pid、ppid等项描述了进程的标识信息。pid是进程标识号，ppid是其父进程标识号。 uid和gid：表示运行进程的用户标识号和组标识号。 eu
12、id和egid：表示运行进程的有效用户标识号和有效组标识号。 fsuid和fsgid：表示运行进程的文件系统用户标识号和文件系统组标识号。 suid和sgid：表示运行进程的备份用户标识号和备份组标识号。,2.2.4进程的通信信息,Linux支持经典的Unix IPC机制，如信号、管道以及系统V中IPC机制，包括共享内存、信号灯和消息队列。task_struct结构中存储了与进程通信有关的信息。与进程通信有关的项有sigpending，signal，blocked，*sig，exit_signal，semundo，*semsleeping等。 sigpending本身也是一个结构体，包含关于本
13、进程中未决信号的信息。signal域记录进程接收到的信号类型，在I386体系结构中共32位。blocked表示阻塞信号的掩码，*sig是指向信号处理函数表的指针。exit_signal表示进程终止的信号。semundo表示进程要释放的信号量，*semsleeping指向与信号量操作相关的等待队列。,2.2.5进程的家族关系,Linux系统中所有进程都是相互联系的。 *p_opptr项是指向祖先进程任务结构体的指针； *p_pptr项是指向父进程任务结构体的指针； *p_cptr项是指向子进程任务结构体的指针； *p_ysptr项是指向弟进程任务结构体的指针； *p_osptr项是指向兄进程任务
14、结构体的指针。,2.2.5进程的家族关系,Linux的所有进程还组成一个双向链表。 *next_task项指向下一进程任务结构体的指针； *prev_task项是指向上一进程任务结构体的指针。链表的头和尾都是init_task（即0号进程）。 Linux还把所有处于可运行状态的进程通过两个指针*next_run和*prev_run连接形成双向循环队列RUN_QUEUE。,2.2.6时间和定时信息,进程是动态的，在task_struct结构中还有表示时间的数据项。 start_time项表示进程创建的时间； utime项表示进程在用户态下耗费的时间； stime项表示进程在内核态下耗费的时间；
15、cutime项表示所有子进程在用户态下耗费的时间； cstime项表示所有子进程在内核态下耗费的时间； timeout项表示进程申请延时。,2.2.7文件系统信息,task_struct结构保存了进程与文件系统相关的信息。进程可以自由地打开或关闭文件。 *fs指针指向进程的可执行映象所在的文件系统； *files指针指向进程打开的文件。 下图表明系统中的每个进程有2个数据结构描述文件系统相关的信息。,2.2.7文件系统信息,2.2.8存储管理信息,进程是和内存联系在一起的，task_struct结构中有如下几个与内存相关的数据项： *mm进程的虚存信息； *ldt进程的局部描述符表指针； sa
16、ved_kernel_stack内核态下堆栈的指针； kernel_stack_page内核态下堆栈的页表指针；,2.2.8存储管理信息,下图显示了一个简单进程的虚存的布局以及管理它的内核数据结构。,2.2.9 CPU现场保留信息,进程运行时，它将使用处理器的寄存器以及堆栈等等。进程被挂起时，进程的上下文所有的CPU相关的状态必须保存在它的task_struct结构中。当调度器重新调度该进程时，所有上下文被重新设定。CPU现场保留信息包括CPU寄存器、堆栈等环境。,2.2.10 task_struct的作用,task_struct是进程存在的唯一标志，用来描述系统中的进程或任务。 在Linux系统中，用NR_TASKS定义task数组的大小，NR_TASKS的缺省值一般为512。创建新进程时，Linux将从系统内存中分配一个task_struct结构并将其加入task数组。当前运行进程的结构用current指针来指示。,2.3 Linux的进程控制,进程控制就是研究如何建立、撤消、阻塞或唤醒一个进程，从而使进程状态发生变化。在传统的Unix环境下，有两个基
