Linux高级调试与优化——进程管理和调度

进程管理

　　进程和文件是Linux操作系统的两个最基本的抽象。

　　进程是处于执行期的程序，进程不仅仅局限于一段可执行程序代码，通常还包含其他资源，如打开的文件、挂起的信号、内核内部数据、处理器状态、进程地址空间及一个或者多个执行线程（thread of execution）、当然还包括用来存放全局变量的数据段等。

　　线程（thread）是内核调度的对象，每个线程都拥有一个独立的程序计数器（PC指针）、函数调用栈和一组寄存器值。在Linux内核中，线程只不过是一种特殊的进程，线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。而不管是线程还是进程，在Linux内核看来，都是一个任务(task)，由一个task_struct结构体描述，即任务描述符，任务描述符通常位于进程内核栈的栈底，32位系统中其大小为1.7KB左右。

　　进程是资源管理的最小单位，线程是程序执行的最小单位。

　　进程提供了两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存。他们给进程一种假象，独占CPU且独享内存。

 

1.1 task_struct

　　Linux内核把进程存放在叫做任务队列（task list）的双向循环链表中，链表中的每一项都是task_struct结构体变量，描述一个具体进程的所有信息。

　　Linux通过slab分配器分配task_struct结构，这样能达到对象复用和缓存着色（cache coloring）的目的。其机制是Linux内核预先分配一组大小都为task_struct结构体大小的内存（结构体数组），当创建一个进程时，快速分配一个task_struct结构体项（数组成员）。

　　在2.6以前的内核中，各个进程的task_struct存放在他们内核栈的尾端。

　　Linux内核通过PID来唯一标识每个进程，PID的最大值默认为32768，即一个short int短整型数据。可以通过设置/proc/sys/kernel/pid_max提高上限。

　　在Linux内核中，访问任务通常需要获得指向其task_struct结构体的指针，通过current宏可以实现。

 

1.2 进程状态

　　task_struct->state记录进程状态：

　　TASK_RUNNING（运行状态）——正在执行，或者在运行队列中等待执行

　　TASK_INTERRUPTIBLE（可中断状态）——进程正在睡眠（或者阻塞），等待某些条件达成之后，内核就会把进程状态设置为运行

　　TASK_UNINTERUPTIBLE（不可中断状态）——与可中断状态相比，不可中断状态对信号不作响应

　　TASK_ZOMBIE（僵死状态）——该进程已经结束，但是其父进程还没有调用wait4()系统调用，即为了让父进程能够获知它的消息，子进程的task_struct仍然被保留着

　　TASK_STOPPED（停止状态）——进程停止执行，通常发生在进程接收到SIGSTOP/SIGTSTP/SIGTTIN/SIGTTOU等信号时

　　Linux系统中，用户态所有进程都是PID为1的init进程的后代，内核在系统启动的最后阶段启动init进程。

　　Linux中每个进程都必须有一个父进程，每个进程可以拥有0~N个子进程。如果父进程在子进程之前退出，必须有机制来保证子进程可以找到继父，否则这些成为孤儿的进程就会在退出时永远处于僵死状态（保留task_struct结构体而空耗资源），白白浪费内存。解决的方法是给子进程在当前线程组找一个线程作为继父，如果不行，就让init进程做它们的继父。

 

1.3 内核线程（kernel thread）

　　内核经常需要在后台执行一些操作，这种任务可以通过内核线程完成——独立运行在内核空间的标准进程。内核线程和普通进程的区别在于内核线程没有独立的地址空间（实际上它的mm指针被设置为NULL）。它只在内核空间运行，从来不切换到用户空间。内核线程和普通进程一样，可以被调度，也可以被抢占。

 

进程调度

　　Linux内核为多任务可抢占式内核。进程调度就是负责CPU资源的分配，满足所有进程对CPU资源的需求。

　　调度程序中最基本的数据结构是可执行队列（run queue），现代CPU一般都是多核架构，Linux内核为每一个核维护一个唯一的可执行队列。