进程
1.基本描述
- 进程是处于执行期的程序以及相关的资源总称。
- 相关的资源：打开的文件，挂起的信号，内核内部数据，处理器的状态，一个或是多个具有内存映射的内存地址空间及一个或多个执行线程，存放全局变量的数据段等
- 内核调度的对象是线程，资源分配的对象是进程
- 每个线程都拥有独立的程序计数器、进程栈和一组进程寄存器。
- 进程提供两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存，让每个进程都自己觉得好像是独占处理器，独占内存一样。
- 内核把进程的列表存放在叫做任务队列(task list)的双向循环链表中，链表每一项都是task_struct(进程描述符)的结构，大约1.7KB。包含{打开的文件，进程的地址空间，挂起的信号，进程的状态}
- 分配进程描述符：linux是通过slab机制分配task_struct的，可实现对象复用和缓存着色（cache coloring）
task_struct.jpg
- 如图，利用slab分配器动态生成task_struct，在栈底创建一个新的数据结构struct thread_info，每个任务的thread_info结构在它的内核栈的尾部分配，结构中task域中存放的是指向该任务实际task_struct的指针。
- 内核通过一个唯一的进程标识值（process identification value）或是PID表示每个进程
- PID的最大默认值为32768（short int），可以通过修改/proc/sys/kernel/pid_max来提高上限。
- 如何通过current宏查找当前正在运行进程的进程描述符：1）对于寄存器充足的体系结构，有一个专门的寄存器存放当前进程的task_struct的指针。2）x86体系在内核栈的尾部创建thread_info结构，通过计算偏移间接地查找task_struct结构。
2.状态转移
process.jpg
linux上进程有5种状态:
- 运行(正在运行或在运行队列中等待)
- 中断(休眠中, 受阻, 在等待某个条件的形成或接受到信号)
- 不可中断(收到信号不唤醒和不可运行, 进程必须等待直到有中断发生)
- 僵死(进程已终止, 但进程描述符存在, 直到父进程调用wait4()系统调用后释放)
- 停止(进程收到SIGSTOP, SIGSTP, SIGTIN, SIGTOU信号后停止运行运行)
ps工具标识进程的5种状态码:
- D 不可中断 uninterruptible sleep (usually IO)
- R 运行 runnable (on run queue)
- S 中断 sleeping
- T 停止 traced or stopped
- Z 僵死 a defunct (”zombie”) process
3.进程树（pstree）
- 再次注意进程在任务列表中，是以循环链表连接的。
- 进程树的树根是0号进程idle，是所有进程的祖先。
- 0号进程创建1号进程（创建时是内核线程），1号进程负责内核部分的初始化工作及系统配置，创建高速缓存和虚拟内存管理的内核线程
- 1号进程调⽤execve()运⾏磁盘上的init可执⾏程序，并演变为⽤户态1号进程，init进程
- init进程按照配置⽂件/etc/initab的要求，完成系统启动⼯作，创建编号为1号，2号，……的Getty进程（初始化终端）
- getty进程监控到终端连接信号时，通过调用execve()执行login登录程序
- 如果登录成功过，login程序通过execve（）函数调用shell
- Shell进程接收getty进程的pid，取代原来的getty进程。
- 0号进程idle
- idle进程只能从静态地填写thread_inf o和task_struct
- idle进程让CPU陷入空闲循环，空闲运行
- 多处理器上刚启动只有一个CPU能运行，只有CPU0上的idle进程完成初始化后才激活其它CPU，并通过copy_process（）创建其他CPU的idle进程
4.进程的创建与撤销
- 在Linux系统中，系统通过fork()函数复制一个现有的进程创建一个新进程。接着，调用exec()函数创建新进程的地址空间，并把新程序载入其中。最终，程序通过调用exit()系统调用退出运行。进程退出后被设置为僵死状态，直到父进程检查之后调用wait()，才删除进程描述符资源。
- frok，vfork，clone函数（重点）
Linux中fork，vfork和clone详解（区别与联系）
- fork：fork创建的子进程是父进程的完整副本，==复制==父进程的全部资源，包括内存的task_struct内容。复制父进程的页表（虚拟地址相同）
- vfork：vfork创建的子进程与父进程==共享==所有的内存，而且由vfork创建的子进程先于父进程运行。（exit()退出），子进程在vfork()返回后直接运行在父进程的栈空间，并使用父进程的内存和数据。这意味着子进程可能破坏父进程的数据结构或栈，造成失败。
- clone：linux提供的创建线程的系统调用。可以传入很多参数，选择性的继承父进程的资源（clone_vm//clone_vfork）,不再复制父进程的栈空间，而是自己创建一个新的。（在linux下系统堆栈空间是2页面，就是8K的内存，其中在这块内存中，低地址上放入了值，这个值就是进程控制块task_struct的值）
- copy-on-write：
- 底层do_fork函数的实现
- 各种进程：
- 前台进程：它会独占命令行窗口，只有运行完了或者手动中止，才能执行其他命令。
- 后台进程：&
1.继承当前 session（对话）的标准输出（stdout）和标准错误（stderr）。因此，后台任务的所有输出依然会同步地在命令行下显示。
2.不再继承当前 session的标准输入（stdin）。你无法向这个任务输入指令了。如果它试图读取标准输入，就会暂停执行（halt）。
- 守护进程：特殊的后台进程，运行在后台，不受任何终端控制(syslogd、login、crond、at系统守护进程)
1.创建子进程，终止父进程
2.在子进程中创建新会话
3.改变工作目录
4.重设文件创建的掩码
5.关闭当前文件描述符
- 孤儿进程：父进程先于子进程结束，子进程没了父亲，会交付给init进程，处理回收工作。
- 僵尸进程：子进程结束，并未被父进程调用wait函数回收，
进程与线程
- 区别：
- 进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。
- 实体间(进程间，线程间，进线程间)通信方式的不同：
进程间通信：共享内存、消息队列、信号量、有名管道、匿名管道、socket、信号、文件。
线程间通信：线程间的通信方式可沿用上述进程间的方式，且还有独特的几种方式：互斥量、自旋锁、条件变量、读写锁、线程信号、全局变量。
- 进程有⽗⼦关系，线程只有⼀个⽗线程，其他都为⼦线程
- 多线程优势：
- ==空间的花费==：它是一种非常"节俭"的多任务操作方式，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独自的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。
- ==线程间方便的通信机制==。对不同进程来说，它们具有独自的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于****同一进程下的线程之间共享数据空间****，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。
- 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数时，不同的线程运行于不同的CPU上。
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