進(jìn)程

1.基本描述

• 進(jìn)程是處于執(zhí)行期的程序以及相關(guān)的資源總稱谒臼。
• 相關(guān)的資源：打開的文件艇挨，掛起的信號(hào)，內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)负懦，處理器的狀態(tài)筒捺，一個(gè)或是多個(gè)具有內(nèi)存映射的內(nèi)存地址空間及一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行線程，存放全局變量的數(shù)據(jù)段等
• 內(nèi)核調(diào)度的對(duì)象是線程纸厉，資源分配的對(duì)象是進(jìn)程
• 每個(gè)線程都擁有獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器系吭、進(jìn)程棧和一組進(jìn)程寄存器。
• 進(jìn)程提供兩種虛擬機(jī)制：虛擬處理器和虛擬內(nèi)存颗品，讓每個(gè)進(jìn)程都自己覺(jué)得好像是獨(dú)占處理器肯尺，獨(dú)占內(nèi)存一樣。
• 內(nèi)核把進(jìn)程的列表存放在叫做任務(wù)隊(duì)列(task list)的雙向循環(huán)鏈表中抛猫，鏈表每一項(xiàng)都是task_struct(進(jìn)程描述符)的結(jié)構(gòu)蟆盹，大約1.7KB孩灯。包含{打開的文件闺金，進(jìn)程的地址空間，掛起的信號(hào)峰档，進(jìn)程的狀態(tài)}
• 分配進(jìn)程描述符：linux是通過(guò)slab機(jī)制分配task_struct的败匹，可實(shí)現(xiàn)對(duì)象復(fù)用和緩存著色（cache coloring）

task_struct.jpg

• 如圖寨昙，利用slab分配器動(dòng)態(tài)生成task_struct，在棧底創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct thread_info掀亩，每個(gè)任務(wù)的thread_info結(jié)構(gòu)在它的內(nèi)核棧的尾部分配舔哪，結(jié)構(gòu)中task域中存放的是指向該任務(wù)實(shí)際task_struct的指針。
• 內(nèi)核通過(guò)一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)值（process identification value）或是PID表示每個(gè)進(jìn)程
• PID的最大默認(rèn)值為32768（short int）槽棍，可以通過(guò)修改/proc/sys/kernel/pid_max來(lái)提高上限捉蚤。
• 如何通過(guò)current宏查找當(dāng)前正在運(yùn)行進(jìn)程的進(jìn)程描述符：1）對(duì)于寄存器充足的體系結(jié)構(gòu)，有一個(gè)專門的寄存器存放當(dāng)前進(jìn)程的task_struct的指針炼七。2）x86體系在內(nèi)核棧的尾部創(chuàng)建thread_info結(jié)構(gòu)缆巧，通過(guò)計(jì)算偏移間接地查找task_struct結(jié)構(gòu)。

2.狀態(tài)轉(zhuǎn)移

process.jpg

linux上進(jìn)程有5種狀態(tài):

1. 運(yùn)行(正在運(yùn)行或在運(yùn)行隊(duì)列中等待)
2. 中斷(休眠中, 受阻, 在等待某個(gè)條件的形成或接受到信號(hào))
3. 不可中斷(收到信號(hào)不喚醒和不可運(yùn)行, 進(jìn)程必須等待直到有中斷發(fā)生)
4. 僵死(進(jìn)程已終止, 但進(jìn)程描述符存在, 直到父進(jìn)程調(diào)用wait4()系統(tǒng)調(diào)用后釋放)
5. 停止(進(jìn)程收到SIGSTOP, SIGSTP, SIGTIN, SIGTOU信號(hào)后停止運(yùn)行運(yùn)行)

ps工具標(biāo)識(shí)進(jìn)程的5種狀態(tài)碼:

1. D 不可中斷 uninterruptible sleep (usually IO)
2. R 運(yùn)行 runnable (on run queue)
3. S 中斷 sleeping
4. T 停止 traced or stopped
5. Z 僵死 a defunct (”zombie”) process

3.進(jìn)程樹（pstree）

• 再次注意進(jìn)程在任務(wù)列表中豌拙，是以循環(huán)鏈表連接的陕悬。
• 進(jìn)程樹的樹根是0號(hào)進(jìn)程idle，是所有進(jìn)程的祖先按傅。

1. 0號(hào)進(jìn)程創(chuàng)建1號(hào)進(jìn)程（創(chuàng)建時(shí)是內(nèi)核線程）捉超，1號(hào)進(jìn)程負(fù)責(zé)內(nèi)核部分的初始化工作及系統(tǒng)配置，創(chuàng)建高速緩存和虛擬內(nèi)存管理的內(nèi)核線程
2. 1號(hào)進(jìn)程調(diào)?execve()運(yùn)?磁盤上的init可執(zhí)?程序唯绍，并演變?yōu)?戶態(tài)1號(hào)進(jìn)程拼岳，init進(jìn)程
3. init進(jìn)程按照配置?件/etc/initab的要求，完成系統(tǒng)啟動(dòng)?作推捐，創(chuàng)建編號(hào)為1號(hào)裂问，2號(hào)，……的Getty進(jìn)程（初始化終端）
4. getty進(jìn)程監(jiān)控到終端連接信號(hào)時(shí)牛柒，通過(guò)調(diào)用execve()執(zhí)行l(wèi)ogin登錄程序
5. 如果登錄成功過(guò)堪簿，login程序通過(guò)execve（）函數(shù)調(diào)用shell
6. Shell進(jìn)程接收getty進(jìn)程的pid，取代原來(lái)的getty進(jìn)程皮壁。

• 0號(hào)進(jìn)程idle

1. idle進(jìn)程只能從靜態(tài)地填寫thread_inf o和task_struct
2. idle進(jìn)程讓CPU陷入空閑循環(huán)椭更，空閑運(yùn)行
3. 多處理器上剛啟動(dòng)只有一個(gè)CPU能運(yùn)行，只有CPU0上的idle進(jìn)程完成初始化后才激活其它CPU蛾魄，并通過(guò)copy_process（）創(chuàng)建其他CPU的idle進(jìn)程

4.進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷

• 在Linux系統(tǒng)中虑瀑，系統(tǒng)通過(guò)fork()函數(shù)復(fù)制一個(gè)現(xiàn)有的進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。接著滴须，調(diào)用exec()函數(shù)創(chuàng)建新進(jìn)程的地址空間舌狗，并把新程序載入其中。最終扔水，程序通過(guò)調(diào)用exit()系統(tǒng)調(diào)用退出運(yùn)行痛侍。進(jìn)程退出后被設(shè)置為僵死狀態(tài)，直到父進(jìn)程檢查之后調(diào)用wait()魔市，才刪除進(jìn)程描述符資源主届。
• frok赵哲，vfork，clone函數(shù)（重點(diǎn)）
  Linux中fork君丁，vfork和clone詳解（區(qū)別與聯(lián)系）

1. fork：fork創(chuàng)建的子進(jìn)程是父進(jìn)程的完整副本枫夺，==復(fù)制==父進(jìn)程的全部資源，包括內(nèi)存的task_struct內(nèi)容绘闷。復(fù)制父進(jìn)程的頁(yè)表（虛擬地址相同）
2. vfork：vfork創(chuàng)建的子進(jìn)程與父進(jìn)程==共享==所有的內(nèi)存橡庞，而且由vfork創(chuàng)建的子進(jìn)程先于父進(jìn)程運(yùn)行。（exit()退出）印蔗，子進(jìn)程在vfork()返回后直接運(yùn)行在父進(jìn)程的棻兴溃空間，并使用父進(jìn)程的內(nèi)存和數(shù)據(jù)喻鳄。這意味著子進(jìn)程可能破壞父進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或棧扼倘，造成失敗。
3. clone：linux提供的創(chuàng)建線程的系統(tǒng)調(diào)用除呵≡倬眨可以傳入很多參數(shù)，選擇性的繼承父進(jìn)程的資源（clone_vm//clone_vfork）,不再?gòu)?fù)制父進(jìn)程的椦赵空間纠拔，而是自己創(chuàng)建一個(gè)新的。（在linux下系統(tǒng)堆椃汉溃空間是2頁(yè)面稠诲，就是8K的內(nèi)存，其中在這塊內(nèi)存中诡曙，低地址上放入了值臀叙，這個(gè)值就是進(jìn)程控制塊task_struct的值）
4. copy-on-write：
5. 底層do_fork函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

• 各種進(jìn)程：

1. 前臺(tái)進(jìn)程：它會(huì)獨(dú)占命令行窗口，只有運(yùn)行完了或者手動(dòng)中止价卤，才能執(zhí)行其他命令劝萤。
2. 后臺(tái)進(jìn)程：&

1.繼承當(dāng)前 session（對(duì)話）的標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（stderr）。因此慎璧，后臺(tái)任務(wù)的所有輸出依然會(huì)同步地在命令行下顯示床嫌。

2.不再繼承當(dāng)前 session的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）。你無(wú)法向這個(gè)任務(wù)輸入指令了胸私。如果它試圖讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入厌处，就會(huì)暫停執(zhí)行（halt）。

3. 守護(hù)進(jìn)程：特殊的后臺(tái)進(jìn)程岁疼，運(yùn)行在后臺(tái)阔涉，不受任何終端控制(syslogd、login、crond洒敏、at系統(tǒng)守護(hù)進(jìn)程)

1.創(chuàng)建子進(jìn)程，終止父進(jìn)程

2.在子進(jìn)程中創(chuàng)建新會(huì)話

3.改變工作目錄

4.重設(shè)文件創(chuàng)建的掩碼

5.關(guān)閉當(dāng)前文件描述符

4. 孤兒進(jìn)程：父進(jìn)程先于子進(jìn)程結(jié)束疙驾，子進(jìn)程沒(méi)了父親凶伙，會(huì)交付給init進(jìn)程，處理回收工作它碎。
5. 僵尸進(jìn)程：子進(jìn)程結(jié)束函荣，并未被父進(jìn)程調(diào)用wait函數(shù)回收，

進(jìn)程與線程

1. 區(qū)別：

• 進(jìn)程是資源分配的基本單位扳肛，線程是調(diào)度的基本單位傻挂。
• 實(shí)體間(進(jìn)程間，線程間挖息，進(jìn)線程間)通信方式的不同：

進(jìn)程間通信：共享內(nèi)存金拒、消息隊(duì)列、信號(hào)量套腹、有名管道绪抛、匿名管道、socket电禀、信號(hào)幢码、文件。
線程間通信：線程間的通信方式可沿用上述進(jìn)程間的方式尖飞，且還有獨(dú)特的幾種方式：互斥量症副、自旋鎖、條件變量政基、讀寫鎖贞铣、線程信號(hào)、全局變量沮明。

• 進(jìn)程有??關(guān)系咕娄，線程只有?個(gè)?線程，其他都為?線程

2. 多線程優(yōu)勢(shì)：

• ==空間的花費(fèi)==：它是一種非常"節(jié)儉"的多任務(wù)操作方式珊擂，在Linux系統(tǒng)下圣勒，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)自的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來(lái)維護(hù)它的代碼段摧扇、堆棧段和數(shù)據(jù)段圣贸，這是一種"昂貴"的多任務(wù)工作方式。而運(yùn)行于進(jìn)程中的多個(gè)線程扛稽，它們彼此之間使用相同的地址空間吁峻，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動(dòng)一個(gè)線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且用含，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間矮慕。
• ==線程間方便的通信機(jī)制==。對(duì)不同進(jìn)程來(lái)說(shuō)啄骇，它們具有獨(dú)自的數(shù)據(jù)空間痴鳄，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過(guò)通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費(fèi)時(shí)缸夹，而且很不方便痪寻。線程則不然，由于****同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間****虽惭，所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用橡类，這不僅快捷，而且方便芽唇。
• 使多CPU系統(tǒng)更加有效顾画。操作系統(tǒng)會(huì)保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)時(shí)，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上匆笤。