《Linux内核深度解析》-进程管理

rtyu789

《Linux内核深度解析》-进程管理 [复制链接]

<div class='showpostmsg'><i class="pstatus"> 本帖最后由 rtyu789 于 2025-1-10 00:30 编辑 </i> # 进程管理 ### 介绍 本章节主要从三个方面讲述 1. 进程，进程介绍，启动/退出进程 2. 进程调度 3. SMP调度 每个章节作者都是先介绍概念和原理，然后介绍用户空间的函数，从用户空间的用户态调用，深入到内核具体怎么操作的，讲解的十分细致 跟随着作者阅读源码，作者写的内容看起来已经十分丰富了，但是和实际的内核代码相比，内核代码还有更多更多细节。。。。甚至看一个函数，比如fork函数的实现，就需要花去一晚上的时间，真的是一杯茶一包烟一段函数看一天 平时在教科书上学习到的内容就是1,2两点截止了，本书中作者随着源码，阐述了一下SMP调度是怎么实现的，这种调度主要用在现在的多核处理器上，十分有学习的意义。但是由于我了解的不深，只能写一写概念性的东西了。 ### 一、进程 进程是操作系统中的一个基本概念，指的是正在运行的程序实例。它不仅是程序的执行过程，还包括程序运行时所需要的内存、寄存器、文件等资源。 每个进程都有独立的地址空间，确保进程之间的隔离性。 书中展示了一些进程描述符 `task_struct` 的主要成员 | 成员名称 | 数据类型 | 描述 | | ------------- | ---------------------- | ---------------------------------------------------------------- | | `state` | `volatile long` | 进程的当前状态（如运行、就绪、阻塞等）。 | | `stack` | `void *` | 指向进程内核栈的指针。 | | `usage` | `refcount_t` | 进程的引用计数，用于跟踪进程的使用情况。 | | `pid` | `pid_t` | 进程的唯一标识符（PID）。 | | `tgid` | `pid_t` | 线程组 ID，表示进程所属的线程组（通常与主线程的 PID 相同）。 | | `real_parent` | `struct task_struct *` | 指向进程的父进程的指针。 | | `parent` | `struct task_struct *` | 指向进程的当前父进程的指针（可能因 `ptrace` 而改变）。 | | `mm` | `struct mm_struct *` | 指向进程内存管理结构的指针，包含进程的地址空间信息。 | | `active_mm` | `struct mm_struct *` | 指向进程当前活动的内存管理结构的指针。 | | `comm` | `char[]` | 进程的可执行文件名（通常为 16 字节）。 | | `prio` | `int` | 进程的动态优先级，用于调度器决策。 | | `static_prio` | `int` | 进程的静态优先级，由用户或系统设置。 | | `normal_prio` | `int` | 进程的归一化优先级，基于静态优先级和调度策略计算得出。 | | `rt_priority` | `unsigned int` | 实时进程的优先级，用于实时调度策略。 | | `sched_class` | `struct sched_class *` | 指向调度类结构的指针，决定进程的调度策略（如 CFS、实时调度等）。 | | `exit_state`| `int` | 进程的退出状态，表示进程是否正在退出或已经退出。 | | `exit_code` | `int` | 进程退出时的返回值，通常用于父进程获取子进程的退出状态。 | linux4.12的源码，整个结构体的长度有600行左右，有大量的注释和宏定义判断，需慢慢了解各个成员的作用 ```C++ struct task_struct { /* * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this * must be the first element of task_struct. */ struct thread_info thread_info; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped: */ volatile long state; void *stack; atomic_t usage; /* Per task flags (PF_*), defined further below: */ unsigned int flags; unsigned int ptrace; struct llist_node wake_entry; int on_cpu; /* Current CPU: */ unsigned int cpu; unsigned int wakee_flips; unsigned long wakee_flip_decay_ts; struct task_struct *last_wakee; int wake_cpu; int on_rq; int prio; int static_prio; int normal_prio; unsigned int rt_priority; const struct sched_class *sched_class; struct sched_entity se; struct sched_rt_entity rt; struct task_group *sched_task_group; struct sched_dl_entity dl; unsigned int policy; int nr_cpus_allowed; cpumask_t cpus_allowed; unsigned long rcu_tasks_nvcsw; bool rcu_tasks_holdout; struct list_head rcu_tasks_holdout_list; int rcu_tasks_idle_cpu; struct sched_info sched_info; struct list_head tasks; struct mm_struct *mm; struct mm_struct *active_mm; /* Per-thread vma caching: */ struct vmacache vmacache; int exit_state; int exit_code; int exit_signal; /* Bit to tell LSMs we're in execve(): */ unsigned in_execve:1; unsigned in_iowait:1; pid_t pid; pid_t tgid; /* * Pointers to the (original) parent process, youngest child, younger sibling, * older sibling, respectively.(p->father can be replaced with * p->real_parent->pid) */ /* Real parent process: */ struct task_struct __rcu *real_parent; /* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */ struct task_struct __rcu *parent; /* * Children/sibling form the list of natural children: */ struct list_head children; struct list_head sibling; struct task_struct *group_leader; struct sysv_sem sysvsem; struct sysv_shm sysvshm; } ``` Linux 内核支持多种类型的命名空间，每种类型对应一种资源的隔离： | 命名空间类型 | 隔离的资源 | 标志 (`clone` 或 `unshare`) | | --------------- | ------------------------------ | --------------------------- | | cgroup 命名空间 | 控制组（cgroup）视图 | `CLONE_NEWCGROUP` | | IPC 命名空间 | System V IPC 和 POSIX 消息队列 | `CLONE_NEWIPC` | | 网络命名空间 | 网络设备、IP 地址、路由表等 | `CLONE_NEWNET` | | 挂载命名空间 | 文件系统挂载点 | `CLONE_NEWNS` | | PID 命名空间 | 进程 ID（PID） | `CLONE_NEWPID` | | 用户命名空间 | 用户和用户组 ID | `CLONE_NEWUSER` | | UTS 命名空间 | 主机名和域名 | `CLONE_NEWUTS` |  最开始阅读的时候，感觉书籍中仅仅是简单的罗列，但是实际阅读后发现，每个成员在内核中都有实际的作用，书籍等于是把人引入门的作用 我自己在阅读的过程中，也是慢慢查找资料，了解各个变量的作用，并通过后面的章节，了解到变量会在什么时候会被用到 ### 二、启动进程 进程的创建通常通过以下方式： - fork() 是最常用的进程创建方式，适用于需要独立进程的场景 - vfork() 适用于子进程立即调用 exec() 的场景，性能优于 fork()，但使用限制较多 - clone() 提供了更灵活的控制，适用于创建线程或轻量级进程，是实现多线程编程的基础  ```C++ #ifndef CONFIG_HAVE_COPY_THREAD_TLS /* For compatibility with architectures that call do_fork directly rather than * using the syscall entry points below. */ long do_fork(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start, unsigned long stack_size, int __user *parent_tidptr, int __user *child_tidptr) { return _do_fork(clone_flags, stack_start, stack_size, parent_tidptr, child_tidptr, 0); } #endif /* *Ok, this is the main fork-routine. * * It copies the process, and if successful kick-starts * it and waits for it to finish using the VM if required. */ long _do_fork(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start, unsigned long stack_size, int __user *parent_tidptr, int __user *child_tidptr, unsigned long tls) { struct task_struct *p; int trace = 0; long nr; /* * Determine whether and which event to report to ptracer.When * called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly * requested, no event is reported; otherwise, report if the event * for the type of forking is enabled. */ if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) { if (clone_flags & CLONE_VFORK) trace = PTRACE_EVENT_VFORK; else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD) trace = PTRACE_EVENT_CLONE; else trace = PTRACE_EVENT_FORK; if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace))) trace = 0; } p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size, child_tidptr, NULL, trace, tls, NUMA_NO_NODE); ... wake_up_new_task(p); ... } ```  fork是用过系统调用sys_fork实现，sys_fork是通过do_fork实现，do_fork内部最终是由_do_fork实现，其中最核心的函数是copy_process，作者画了详细的调用流程，并对每一步走了解释，内容过多，就需要自己看啦 ### 三、进程退出 1. 进程的终止方式 - 正常退出：进程执行完毕，调用 `exit()` 系统调用。 - 异常退出：进程由于错误或异常情况被迫终止，如段错误、除零错误等。 - 强制终止：由其他进程或操作系统强制终止，如通过 `kill` 命令。  2. 进程终止时的操作 - 释放资源：操作系统回收进程占用的内存、文件描述符等资源。 - 通知父进程：通过信号或进程间通信机制通知父进程子进程的终止状态。 - 更新进程表：将进程从进程表中移除，并将其状态设置为“终止”。 ### 四、进程调度 1. 进程的状态 - 就绪状态 - 运行状态 - 轻度睡眠状态 - 中都睡眠状态 - 深度睡眠状态 - 僵尸状态 - 死亡状态  2. 调度的目标 - 公平性：确保每个进程都能获得合理的CPU时间。 - 高效性：最大化CPU利用率，减少空闲时间。 - 响应时间：确保交互式进程能够及时响应。 - 吞吐量：在单位时间内完成尽可能多的进程。 3. 进程调度类 进程调度类是 Linux 内核中用于管理和实现不同调度策略的框架。 它是 Linux 调度器（Scheduler）的核心组成部分，定义了如何选择下一个要运行的进程以及如何管理进程的调度行为。 1. stop_sched_class 停机调度类，最高优先级的调度类，用于执行停止 CPU 的任务（如迁移线程） 2. dl_sched_class 期限调度类，用于调度实时任务，基于最早截止时间优先（EDF）算法，确保任务在截止时间内完成 3. rt_sched_class 实时调度类，用于调度优先级固定的实时任务，确保高优先级任务优先执行 4. fair_sched_class 完全公平调度类（CFS），用于普通进程的调度，基于虚拟运行时间实现公平性 5. idle_sched_class 空闲调度类，当系统没有其他任务可运行时，调度空闲任务以降低功耗  ## 五、SMP调度 在多处理器系统（Symmetric Multiprocessing, SMP）中，多个CPU核心共享同一内存空间，操作系统需要扩展调度机制以充分利用多核资源。SMP调度不仅需要考虑单核调度的问题，还需要处理多核之间的负载均衡、缓存亲和性等问题。 ### 1. 进程处理器的亲和性 #### 1.1 亲和性的概念 进程处理器的亲和性（Processor Affinity）是指进程或线程与特定CPU核心之间的绑定关系。通过设置亲和性，可以将进程或线程固定到某个CPU核心上运行，从而利用CPU缓存的局部性，减少缓存失效带来的性能损失。 #### 1.2 亲和性的类型 - 软亲和性：操作系统会尽量将进程调度到上次运行的CPU核心上，但不强制绑定。 - 硬亲和性：进程或线程被明确绑定到特定的CPU核心上，无法迁移到其他核心。 #### 1.3 亲和性的优点 - 减少缓存失效：进程在同一个CPU核心上运行，可以利用缓存中的数据，减少内存访问延迟。 - 提高性能：对于计算密集型任务，绑定到特定核心可以减少上下文切换的开销。 #### 1.4 亲和性的缺点 - 负载不均衡：如果某个核心上的进程负载过高，而其他核心空闲，可能导致系统整体性能下降。 - 灵活性降低：硬亲和性限制了进程的迁移能力，可能影响系统的动态负载均衡。 ### 2. 迁移线程 线程迁移是指将正在运行的线程从一个CPU核心迁移到另一个核心的过程。迁移线程的目的是为了实现负载均衡，避免某些核心过载而其他核心空闲 #### 2.1 线程迁移的挑战 - 缓存失效：线程迁移会导致缓存中的数据失效，增加内存访问延迟。 - 上下文切换开销：迁移线程需要保存和恢复线程的上下文，增加了调度器的开销。 - 锁竞争：在多核系统中，线程迁移可能导致锁竞争，影响系统性能。 #### 2.2 线程迁移的策略 - 被动迁移：当某个核心过载时，调度器将部分线程迁移到其他核心上。 - 主动迁移：调度器定期检测系统的负载情况，主动将线程迁移到负载较轻的核心上。 - 亲和性优先：在迁移线程时，优先考虑线程的缓存亲和性，尽量减少缓存失效。 ### 总结 进程管理是操作系统的核心功能之一，涉及进程的创建、调度、通信和终止等多个方面。通过合理的进程调度算法和进程间通信机制，操作系统能够高效地管理多个进程，确保系统的稳定性、响应性和公平性。同时，多线程技术的引入进一步提升了系统的并发处理能力，但也带来了同步和资源管理的挑战。理解进程管理的原理和机制，对于深入掌握操作系统的运行机制至关重要。 </div><script> var loginstr = '<div class="locked">查看本帖全部内容，请<a href="javascript:;" style="color:#e60000" class="loginf">登录</a>或者<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/member.php?mod=register_eeworld.php&action=wechat" style="color:#e60000" target="_blank">注册</a></div>'; 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Jacktang

是本好书，进程管理是操作系统的核心功能之一，涉及进程的创建、调度、通信和终止等多个方面