linux代碼導(dǎo)讀-進(jìn)程管理

Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系陳香蘭（0551－3606864）xlanchen@/~xlanchen

Spring2009進(jìn)程（任務(wù)管理）主要內(nèi)容進(jìn)程描述符進(jìn)程切換進(jìn)程的創(chuàng)建和刪除2/2/20233Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程的概念進(jìn)程是執(zhí)行程序的一個(gè)實(shí)例進(jìn)程和程序的區(qū)別 幾個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)的執(zhí)行一個(gè)程序一個(gè)進(jìn)程可以順序的執(zhí)行幾個(gè)程序2/2/20234Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程描述符為了管理進(jìn)程，內(nèi)核必須對(duì)每個(gè)進(jìn)程進(jìn)行清晰的描述。進(jìn)程描述符提供了內(nèi)核所需了解的進(jìn)程信息源碼include/linux/sched.h定義

structtask_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很龐大2/2/20235Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀stack2/2/20236Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Linux2.6進(jìn)程的狀態(tài)簡(jiǎn)單過(guò)一下，與狀態(tài)相關(guān)的一些宏1）組合狀態(tài)2）狀態(tài)判斷3）狀態(tài)設(shè)置2/2/20237Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖EXIT_ZOMBIE或者EXIT_DEAD或者TASK_DEAD2/2/20238Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程使用進(jìn)程描述符地址進(jìn)程和進(jìn)程描述符之間有非常嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得用32位進(jìn)程描述符地址標(biāo)識(shí)進(jìn)程非常方便使用PID(ProcessID，PID)每個(gè)進(jìn)程的PID都存放在進(jìn)程描述符的pid域中2/2/20239Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程和進(jìn)程的內(nèi)核堆棧Linux為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)8KB大小的內(nèi)存區(qū)域，用于存放該進(jìn)程兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Thread_info進(jìn)程的內(nèi)核堆棧進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)時(shí)使用

不同于用戶態(tài)堆棧內(nèi)核控制路徑所用的堆棧

很少，因此對(duì)棧和描述符

來(lái)說(shuō)，8KB足夠了Thread_info2/2/202310Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Thread_unionC語(yǔ)言允許用如下的一個(gè)union結(jié)構(gòu)來(lái)方便的表示這樣的一個(gè)混合體2/2/202311Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程描述符的分配/回收/訪問(wèn)Thread_info的分配/回收/訪問(wèn)alloc_thread_infofree_thread_info2/2/202312Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀2/2/202313Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀從當(dāng)前內(nèi)核堆棧獲得當(dāng)前thread_info根據(jù)thread_info描述符和內(nèi)核態(tài)堆棧之間的配對(duì)，內(nèi)核可以很容易的從esp寄存器的值獲得當(dāng)前在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程的描述符指針因?yàn)檫@個(gè)內(nèi)存區(qū)是8KB=213大小，內(nèi)核必須做的就是讓esp有13位的有效位，以獲得thread_info的基地址2/2/202314Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀current宏進(jìn)程描述符2/2/202315Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀可知，從每個(gè)cpu相關(guān)參數(shù)中，把per_cpu__current_task，取出返回需要找到該參數(shù)的賦值之處??！2/2/202316Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀考慮對(duì)應(yīng)的x86_write_percpu的使用情況在__switch_to中被調(diào)用2/2/202317Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Current宏的使用Current宏可以看成當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程描述符指針，在內(nèi)核中直接使用比如current->pid返回在CPU上正在執(zhí)行的進(jìn)程的PID2/2/202318Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程的PID進(jìn)程的pid字段Pid最大值2/2/202319Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Pid的管理和分配創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，Pid名字空間do_forkcopy_processalloc_pidStructpid的cache2/2/202320Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Pid位圖Pid數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)pid名字空間：2.6內(nèi)核為PID專門(mén)引入了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Why?

獨(dú)立的進(jìn)程；進(jìn)程組；sessions

使用pid數(shù)字的注意之處考慮進(jìn)程的刪除和創(chuàng)建2/2/202321Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀最初的pid名字空間在kernel_init中，被修改為init進(jìn)程在start_kernel中，調(diào)用pidmap_init進(jìn)行合理的初始化2/2/202322Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀分配第一個(gè)位圖頁(yè)初始化structpid的cache2/2/202323Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀2.6內(nèi)核為PID專門(mén)引入了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Why?獨(dú)立的進(jìn)程；進(jìn)程組；sessions使用pid數(shù)字的注意之處考慮進(jìn)程的刪除和創(chuàng)建2/2/202324Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀閱讀alloc_pid、alloc_pidmap函數(shù)2/2/202325Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程鏈表為了對(duì)給定類型的進(jìn)程(比如所有在可運(yùn)行狀態(tài)下的進(jìn)程)進(jìn)行有效的搜索，內(nèi)核維護(hù)了幾個(gè)進(jìn)程鏈表所有進(jìn)程鏈表在進(jìn)程描述符中：2/2/202326Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程鏈表中的插入和刪除使用常規(guī)list數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作2/2/202327Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀list_addlist_add_taillist_dellist_movelist_emptylist_for_eachlist_for_each_prevlist_for_each_safelist_for_each_entry…2/2/202328Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀例如，在do_fork調(diào)用的copy_process中for_each_process宏掃描整個(gè)進(jìn)程鏈表2/2/202329Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀TASK_RUNNING狀態(tài)的進(jìn)程組織對(duì)可運(yùn)行隊(duì)列的一些操作函數(shù)底層：常規(guī)的list數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作入列出列等操作：dequeue_taskenqueue_taskconststructsched_class，調(diào)度類rt_sched_classfair_sched_classidle_sched_class每個(gè)cpu有一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列關(guān)于調(diào)度的描述，參見(jiàn)sched_coding.txt和sched-design-CFS.txt2/2/202330Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀運(yùn)行隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2/2/202331Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀structcfs_rq……紅黑樹(shù)2/2/202332Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀structrt_rq……基于優(yōu)先級(jí)的運(yùn)行隊(duì)列2/2/202333Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀2/2/202334Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀2/2/202335Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀調(diào)度類閱讀調(diào)度類sched_class的定義源碼找到主要與運(yùn)行隊(duì)列有關(guān)的enqueue_task、dequeue_taskIdle相關(guān)：idle_sched_classnoenqueue/yield_taskforidletasksdequeue_task_idleFair相關(guān)enqueue_task_fairdequeue_task_fairRt相關(guān)enqueue_task_rtdequeue_task_rt2/2/202336Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Idle類特殊2/2/202337Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Fair類進(jìn)而查看1）enqueue_entity2）__enqueue_entity

（紅黑樹(shù)）3）sched_entity結(jié)構(gòu)4）structrq5）structcfs_rqCompletelyFairScheduler完全公平調(diào)度2/2/202338Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Rt類進(jìn)而查看：1）enqueue_rt_entity2）__enqueue_rt_entity 每個(gè)cpu有一個(gè)隊(duì)列3）sched_rt_entity4）structrq5）structrt_rq6）structrt_prio_array優(yōu)先級(jí)隊(duì)列2/2/202339Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀激活一個(gè)任務(wù)activate_task相對(duì)的：deactivate_task2/2/202340Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀pidhash表及鏈接表在一些情況下，內(nèi)核必須能從進(jìn)程的PID得出對(duì)應(yīng)的進(jìn)程描述符指針。例如kill系統(tǒng)調(diào)用為了加速查找，引入了pid_hash散列表初始化：pidhash_initTask_struct中：2/2/202341Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀pidhash表及鏈接表2/2/202342Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程之間的親屬關(guān)系程序創(chuàng)建的進(jìn)程具有父子關(guān)系，在編程時(shí)往往需要引用這樣的父子關(guān)系。進(jìn)程描述符中有幾個(gè)域用來(lái)表示這樣的關(guān)系2/2/202343Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀等待隊(duì)列當(dāng)要把除了TASK_RUNNING狀態(tài)之外的進(jìn)程組織在一起時(shí)，linux使用了等待隊(duì)列TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程再分成很多類，每一類對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的事件。在這種情況下，進(jìn)程狀態(tài)提供的信息滿足不了快速檢索，因此，內(nèi)核引進(jìn)了另外的進(jìn)程鏈表，叫做等待隊(duì)列等待隊(duì)列在內(nèi)核中有很多用途，尤其是對(duì)中斷處理、進(jìn)程同步和定時(shí)用處很大2/2/202344Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀等待隊(duì)列使得進(jìn)程可以在事件上的條件等待，并且當(dāng)?shù)却臈l件為真時(shí)，由內(nèi)核喚醒它們等待隊(duì)列由循環(huán)鏈表實(shí)現(xiàn)閱讀相關(guān)的宏2/2/202345Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀在等待隊(duì)列上內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一些操作函數(shù)add_wait_queueadd_wait_queue_exclusiveremove_wait_queue2/2/202346Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程等待等待一個(gè)特定事件的進(jìn)程能調(diào)用下面幾個(gè)函數(shù)中的任一個(gè)sleep_onsleep_on_timeoutinterruptible_sleep_oninterruptible_sleep_on_timeout進(jìn)程等待由需要等待的進(jìn)程自己進(jìn)行（調(diào)用）2/2/202347Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀sleep_on相當(dāng)于閱讀實(shí)際的sleep_on代碼2/2/202348Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀此外，還可能按照如下方式進(jìn)行sleep2/2/202349Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀例如事件等待wait_event__wait_event等待，直到事件發(fā)生（有效，或…）2/2/202350Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程的喚醒利用wake_up或者wake_up_interruptible等一系列的宏，都讓插入等待隊(duì)列中的進(jìn)程進(jìn)入TASK_RUNNING狀態(tài)2/2/202351Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀__wake_up__wake_up_common 間接default_wake_functionactivate_tasktry_to_wake_up2/2/202352Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程切換(processswitching)為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上執(zhí)行的進(jìn)程，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行，這叫做進(jìn)程切換，任務(wù)切換，上下文切換2/2/202353Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀進(jìn)程上下文包含了進(jìn)程執(zhí)行需要的所有信息用戶地址空間

包括程序代碼，數(shù)據(jù)，用戶堆棧等控制信息

進(jìn)程描述符，內(nèi)核堆棧等硬件上下文2/2/202354Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀硬件上下文盡管每個(gè)進(jìn)程可以有自己的地址空間，但所有的進(jìn)程只能共享CPU的寄存器。因此，在恢復(fù)一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行之前，內(nèi)核必須確保每個(gè)寄存器裝入了掛起進(jìn)程時(shí)的值。這樣才能正確的恢復(fù)一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行硬件上下文：

進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行前必須裝入寄存器的一組數(shù)據(jù)包括通用寄存器的值以及一些系統(tǒng)寄存器通用寄存器系統(tǒng)寄存器2/2/202355Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀在linux中一個(gè)進(jìn)程的上下文主要保存在thread_info，

task_struct的thread_struct中,其他信息放在內(nèi)核態(tài)堆棧中2/2/202356Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀thread_info2/2/202357Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Thread_struct……2/2/202358Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀Pt_regs2/2/202359Linux內(nèi)核源代碼導(dǎo)讀上下文切換switch_to宏執(zhí)行進(jìn)程切換，schedule()函數(shù)通過(guò)調(diào)用context_switch，間接調(diào)用這個(gè)宏一調(diào)度一個(gè)新的進(jìn)程在CPU上運(yùn)行switch_to利用了prev