操作系統(tǒng)實踐報告

1、 操作系統(tǒng)課外實踐報告項 目 名 稱： Linux 進(jìn)程管理 所 在 班 級： 軟件工程（10.Net） 小 組 成 員： 李紅亞 指 導(dǎo) 教 師： 趙業(yè)清 項目基本信息項目名稱項目簡介對 Linux 進(jìn)程表示、進(jìn)程管理、進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程銷毀的系統(tǒng)了解、學(xué)習(xí)一、Linux 是一種動態(tài)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不斷變化的計算需求。Linux 計算需求的表現(xiàn)是以進(jìn)程 的通用抽象為中心的。進(jìn)程可以是短期的（從命令行執(zhí)行的一個命令），也可以是長期的（一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）。因此，對進(jìn)程及其調(diào)度進(jìn)行一般管理就顯得極為重要。在用戶空間，進(jìn)程是由進(jìn)程標(biāo)識符（PID）表示的。從用戶的角度來看，一個 PID 是一個數(shù)字值，可惟一標(biāo)識

2、一個進(jìn)程。一個 PID 在進(jìn)程的整個生命期間不會更改，但 PID 可以在進(jìn)程銷毀后被重新使用，所以對它們進(jìn)行緩存并不見得總是理想的。在用戶空間，創(chuàng)建進(jìn)程可以采用幾種方式。可以執(zhí)行一個程序（這會導(dǎo)致新進(jìn)程的創(chuàng)建），也可以在程序內(nèi)，調(diào)用一個 fork 或 exec 系統(tǒng)調(diào)用。fork 調(diào)用會導(dǎo)致創(chuàng)建一個子進(jìn)程，而 exec 調(diào)用則會用新程序代替當(dāng)前進(jìn)程上下文。 首先展示進(jìn)程的內(nèi)核表示以及它們是如何在內(nèi)核內(nèi)被管理的，然后來看看進(jìn)程創(chuàng)建和調(diào)度的各種方式（在一個或多個處理器上），最后介紹進(jìn)程的銷毀。進(jìn)程表示在 Linux 內(nèi)核內(nèi)，進(jìn)程是由相當(dāng)大的一個稱為 task_struct 的結(jié)構(gòu)表示的。此結(jié)構(gòu)包含

3、所有表示此進(jìn)程所必需的數(shù)據(jù)，此外，還包含了大量的其他數(shù)據(jù)用來統(tǒng)計（accounting）和維護(hù)與其他進(jìn)程的關(guān)系（父和子）。對 task_struct 的完整介紹超出了本文的范圍，清單 1 給出了 task_struct 的一小部分。這些代碼包含了本文所要探索的這些特定元素。task_struct 位于 ./linux/include/linux/sched.h。清單 1. task_struct 的一小部分struct task_struct volatile long state;void *stack;unsigned int flags;int prio, static_prio;str

4、uct list_head tasks;struct mm_struct *mm, *active_mm;pid_t pid;pid_t tgid;struct task_struct *real_parent;char commTASK_COMM_LEN;struct thread_struct thread;struct files_struct *files在清單 1 中，可以看到幾個預(yù)料之中的項，比如執(zhí)行的狀態(tài)、堆棧、一組標(biāo)志、父進(jìn)程、執(zhí)行的線程（可以有很多）以及開放文件。我稍后會對其進(jìn)行詳細(xì)說明，這里只簡單加以介紹。state 變量是一些表明任務(wù)狀態(tài)的比特位。最常見的狀態(tài)有：TASK

5、_RUNNING 表示進(jìn)程正在運行，或是排在運行隊列中正要運行；TASK_INTERRUPTIBLE 表示進(jìn)程正在休眠、TASK_UNINTERRUPTIBLE 表示進(jìn)程正在休眠但不能叫醒；TASK_STOPPED 表示進(jìn)程停止等等。flags 定義了很多指示符，表明進(jìn)程是否正在被創(chuàng)建（PF_STARTING）或退出（PF_EXITING），或是進(jìn)程當(dāng)前是否在分配內(nèi)存（PF_MEMALLOC）?？蓤?zhí)行程序的名稱（不包含路徑）占用 comm（命令）字段。每個進(jìn)程都會被賦予優(yōu)先級（稱為 static_prio），但進(jìn)程的實際優(yōu)先級是基于加載以及其他幾個因素動態(tài)決定的。優(yōu)先級值越低，實際的優(yōu)先級越高

6、。tasks 字段提供了鏈接列表的能力。它包含一個 prev 指針（指向前一個任務(wù)）和一個 next 指針（指向下一個任務(wù)）。進(jìn)程的地址空間由 mm 和 active_mm 字段表示。mm 代表的是進(jìn)程的內(nèi)存描述符，而 active_mm 則是前一個進(jìn)程的內(nèi)存描述符（為改進(jìn)上下文切換時間的一種優(yōu)化）。thread_struct 則用來標(biāo)識進(jìn)程的存儲狀態(tài)。此元素依賴于 Linux 在其上運行的特定架構(gòu)，在 ./linux/include/asm-i386/processor.h 內(nèi)有這樣的一個例子。在此結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以找到該進(jìn)程自執(zhí)行上下文切換后的存儲（硬件注冊表、程序計數(shù)器等）。進(jìn)程管理最大進(jìn)程數(shù)

7、在 Linux 內(nèi)雖然進(jìn)程都是動態(tài)分配的，但還是需要考慮最大進(jìn)程數(shù)。在內(nèi)核內(nèi)最大進(jìn)程數(shù)是由一個稱為 max_threads 的符號表示的，它可以在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)找到?？梢酝ㄟ^ /proc/sys/kernel/threads-max 的 proc 文件系統(tǒng)從用戶空間更改此值。現(xiàn)在，讓我們來看看如何在 Linux 內(nèi)管理進(jìn)程。在很多情況下，進(jìn)程都是動態(tài)創(chuàng)建并由一個動態(tài)分配的 task_struct 表示。一個例外是 init 進(jìn)程本身，它總是存在并由一個靜態(tài)分配的 task_struct 表示。在 ./linux/arch/i386/kernel/init_ta

8、sk.c 內(nèi)可以找到這樣的一個例子。Linux 內(nèi)所有進(jìn)程的分配有兩種方式。第一種方式是通過一個哈希表，由 PID 值進(jìn)行哈希計算得到；第二種方式是通過雙鏈循環(huán)表。循環(huán)表非常適合于對任務(wù)列表進(jìn)行迭代。由于列表是循環(huán)的，沒有頭或尾；但是由于 init_task 總是存在，所以可以將其用作繼續(xù)向前迭代的一個錨點。讓我們來看一個遍歷當(dāng)前任務(wù)集的例子。任務(wù)列表無法從用戶空間訪問，但該問題很容易解決，方法是以模塊形式向內(nèi)核內(nèi)插入代碼。清單 2 中所示的是一個很簡單的程序，它會迭代任務(wù)列表并會提供有關(guān)每個任務(wù)的少量信息（name、pid 和 parent 名）。注意，在這里，此模塊使用 printk 來發(fā)

9、出結(jié)果。要查看具體的結(jié)果，可以通過 cat 實用工具（或?qū)崟r的 tail -f /var/log/messages）查看 /var/log/messages 文件。next_task 函數(shù)是 sched.h 內(nèi)的一個宏，它簡化了任務(wù)列表的迭代（返回下一個任務(wù)的 task_struct 引用）。清單 2. 發(fā)出任務(wù)信息的簡單內(nèi)核模塊（procsview.c） #include <linux/kernel.h>#include <linux/module.h>#include <linux/sched.h>int init_module( void ) /* S

10、et up the anchor point */ struct task_struct *task = &init_task; /* Walk through the task list, until we hit the init_task again */ do printk( KERN_INFO "* %s %d parent %sn",task->comm, task->pid, task->parent->comm ); while ( (task = next_task(task) != &init_task ); re

11、turn 0;void cleanup_module( void ) return;可以用清單 3 所示的 Makefile 編譯此模塊。在編譯時，可以用 insmod procsview.ko 插入模塊對象，也可以用 rmmod procsview 刪除它。清單 3. 用來構(gòu)建內(nèi)核模塊的 Makefile插入后，/var/log/message obj-m += procsview.oKDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD)

12、modules s 可顯示輸出，如下所示。從中可以看到，這里有一個空閑任務(wù)（稱為 swapper）和 init 任務(wù)（pid 1）。Nov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: 8503.873310 * swapper 0 parent swapperNov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: 8503.904182 * init 1 parent swapperNov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: 8503.904215 * kthreadd 2 parent swapperNov 12 22:19:5

13、1 mtj-desktop kernel: 8503.904233 * migration/0 3 parent kthreadd注意，還可以標(biāo)識當(dāng)前正在運行的任務(wù)。Linux 維護(hù)一個稱為 current 的符號，代表的是當(dāng)前運行的進(jìn)程（類型是 task_struct）。如果在 init_module 的尾部插入如下這行代碼：printk( KERN_INFO, "Current task is %s %d, current->comm, current->pid );會看到：Nov 12 22:48:45 mtj-desktop kernel: 10233.32366

14、2 Current task is insmod 6538注意到，當(dāng)前的任務(wù)是 insmod，這是因為 init_module 函數(shù)是在 insmod 命令執(zhí)行的上下文運行的。current 符號實際指的是一個函數(shù)（get_current）并可在一個與 arch 有關(guān)的頭部中找到（比如 ./linux/include/asm-i386/current.h 內(nèi)找到）。進(jìn)程創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)您可能已經(jīng)看到過系統(tǒng)調(diào)用的模式了。在很多情況下，系統(tǒng)調(diào)用都被命名為 sys_* 并提供某些初始功能以實現(xiàn)調(diào)用（例如錯誤檢查或用戶空間的行為）。實際的工作常常會委派給另外一個名為 do_* 的函數(shù)。讓我們不妨親自看

15、看如何從用戶空間創(chuàng)建一個進(jìn)程。用戶空間任務(wù)和內(nèi)核任務(wù)的底層機(jī)制是一致的，因為二者最終都會依賴于一個名為 do_fork 的函數(shù)來創(chuàng)建新進(jìn)程。在創(chuàng)建內(nèi)核線程時，內(nèi)核會調(diào)用一個名為 kernel_thread 的函數(shù)（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函數(shù)執(zhí)行某些初始化后會調(diào)用 do_fork。創(chuàng)建用戶空間進(jìn)程的情況與此類似。在用戶空間，一個程序會調(diào)用 fork，這會導(dǎo)致對名為 sys_fork 的內(nèi)核函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。函數(shù)關(guān)系如圖 1 所示。圖 1. 負(fù)責(zé)創(chuàng)建進(jìn)程的函數(shù)的層次

16、結(jié)構(gòu)從圖 1 中，可以看到 do_fork 是進(jìn)程創(chuàng)建的基礎(chǔ)。可以在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)找到 do_fork 函數(shù)（以及合作函數(shù) copy_process）。do_fork 函數(shù)首先調(diào)用 alloc_pidmap，該調(diào)用會分配一個新的 PID。接下來，do_fork 檢查調(diào)試器是否在跟蹤父進(jìn)程。如果是，在 clone_flags 內(nèi)設(shè)置 CLONE_PTRACE 標(biāo)志以做好執(zhí)行 fork 操作的準(zhǔn)備。之后 do_fork 函數(shù)還會調(diào)用 copy_process，向其傳遞這些標(biāo)志、堆棧、注冊表、父進(jìn)程以及最新分配的 PID。新的進(jìn)程在 copy_process 函數(shù)內(nèi)

17、作為父進(jìn)程的一個副本創(chuàng)建。此函數(shù)能執(zhí)行除啟動進(jìn)程之外的所有操作，啟動進(jìn)程在之后進(jìn)行處理。copy_process 內(nèi)的第一步是驗證 CLONE 標(biāo)志以確保這些標(biāo)志是一致的。如果不一致，就會返回 EINVAL 錯誤。接下來，詢問 Linux Security Module (LSM) 看當(dāng)前任務(wù)是否可以創(chuàng)建一個新任務(wù)。接下來，調(diào)用 dup_task_struct 函數(shù)（在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)），這會分配一個新 task_struct 并將當(dāng)前進(jìn)程的描述符復(fù)制到其內(nèi)。在新的線程堆棧設(shè)置好后，一些狀態(tài)信息也會被初始化，并且會將控制返回給 copy_process?？刂苹氐?/p>

18、 copy_process 后，除了其他幾個限制和安全檢查之外，還會執(zhí)行一些常規(guī)管理，包括在新 task_struct 上的各種初始化。之后，會調(diào)用一系列復(fù)制函數(shù)來復(fù)制此進(jìn)程的各個方面，比如復(fù)制開放文件描述符（copy_files）、復(fù)制符號信息（copy_sighand 和 copy_signal）、復(fù)制進(jìn)程內(nèi)存（copy_mm）以及最終復(fù)制線程（copy_thread）。之后，這個新任務(wù)會被指定給一個處理程序，同時對允許執(zhí)行進(jìn)程的處理程序進(jìn)行額外的檢查（cpus_allowed）。新進(jìn)程的優(yōu)先級從父進(jìn)程的優(yōu)先級繼承后，執(zhí)行一小部分額外的常規(guī)管理，而且控制也會被返回給 do_fork。在此時，新進(jìn)程存在但尚未運行。do_fork 函數(shù)通過調(diào)用 wake_up_new_task 來修復(fù)此問題。此函數(shù)（可在 ./linux/kernel/sched.c 內(nèi)找到）初始化某些調(diào)度程序的常規(guī)管理信息，將新進(jìn)程放置在運行隊列之內(nèi)，然后將其喚醒以便執(zhí)行。最后，一旦返回至 do_fork，此 PID 值即被返回給調(diào)用程序，進(jìn)程完成。進(jìn)程調(diào)度存在于 Linux 的進(jìn)程也可通過 Linux 調(diào)度程序被調(diào)度。雖然調(diào)度程序超出了本文的討論范圍，但 Linux 調(diào)度程序維護(hù)了針對每個優(yōu)先級別的一