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Linux作為一種被廣泛使用的操作系統(tǒng)，進(jìn)程管理是其中最基本且重要的組成部分之一。其內(nèi)部也有一套完善的管理機(jī)制，架構(gòu)清晰，難度不小。本篇文章將從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度深度探討Linux進(jìn)程管理的實(shí)現(xiàn)原理。
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進(jìn)程的概念
在深入了解進(jìn)程管理的實(shí)現(xiàn)機(jī)制之前，有必要先了解一下進(jìn)程的概念。進(jìn)程是指正在運(yùn)行的程序?qū)嵗Ｔ贚inux系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的進(jìn)程號(hào) (PID)，并且它們有各自的上下文環(huán)境，包括寄存器、內(nèi)存、打開文件等。
進(jìn)程控制塊（Process Control Block，PCB）
進(jìn)程控制塊是Linux內(nèi)核中管理進(jìn)程的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其記錄了進(jìn)程的各種狀態(tài)信息和系統(tǒng)資源占用情況。每個(gè)進(jìn)程都對應(yīng)有一個(gè)PCB，所有的PCB的被稱作進(jìn)程表。
PCB的主要組成部分包括：
1.進(jìn)程狀態(tài)：記錄當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)信息，如運(yùn)行、等待等。
2.程序計(jì)數(shù)器 (Program Counter， PC)：指向進(jìn)程下一條要執(zhí)行的指令地址。
3.寄存器：包括通用寄存器、指針、標(biāo)志寄存器等。
4.堆棧指針 (Stack Pointer, SP)：指向進(jìn)程當(dāng)前的運(yùn)行堆棧。堆棧是一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)程序調(diào)用的嵌套信息，如函數(shù)調(diào)用、返回地址等。
5.進(jìn)程優(yōu)先級(jí)：用于控制進(jìn)程調(diào)度順序的參數(shù)。
6.進(jìn)程組和會(huì)話：用于記錄進(jìn)程所屬的進(jìn)程組和會(huì)話信息。
7.打開文件：所有打開的文件、設(shè)備等信息，包括文件描述符和訪問權(quán)限等。
8.進(jìn)程特定數(shù)據(jù)：用于存儲(chǔ)用戶定義的進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)。
進(jìn)程表
進(jìn)程表是Linux系統(tǒng)中保存所有進(jìn)程PCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下面是一份簡化版進(jìn)程表結(jié)構(gòu)：
struct task_struct { // 進(jìn)程控制塊
// 進(jìn)程狀態(tài)
volatile long state;
// 進(jìn)程描述符
struct desc_struct tss;
// 進(jìn)程堆棧指針
unsigned long esp0, ss0;
// 進(jìn)程內(nèi)存頁表指針
struct page_table *pgd;
// 進(jìn)程ID
pid_t pid;
// 進(jìn)程名字
char comm[TASK_COMM_LEN];
// 進(jìn)程用戶ID和組ID
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
// 父進(jìn)程ID和子進(jìn)程ID
pid_t ppid,pgrp,session,tty_old_pgrp;
pid_t sid;
// 進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志
unsigned long flags;
};
進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換
在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程狀態(tài)有以下幾種：運(yùn)行、睡眠、等待、停止和僵尸。
運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程正在執(zhí)行，占用著CPU。
等待態(tài)：進(jìn)程暫時(shí)不執(zhí)行，但因?yàn)槟承┰驎簳r(shí)也不能被放到睡眠態(tài)。
睡眠態(tài)：進(jìn)程睡眠而且當(dāng)前進(jìn)程不再占用CPU。進(jìn)程會(huì)將自己加入到等待隊(duì)列中，然后進(jìn)入睡眠，等待喚醒。
停止態(tài)：進(jìn)程被停止，對應(yīng)的進(jìn)程號(hào)（PID）被收回。
僵尸態(tài)：進(jìn)程已終止，但其在進(jìn)程表中仍然留存一段時(shí)間，等待其父進(jìn)程讀取終止?fàn)顟B(tài)。
進(jìn)程調(diào)度
進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)進(jìn)程管理和優(yōu)先級(jí)控制的最主要機(jī)制之一。進(jìn)程調(diào)度包括進(jìn)程進(jìn)入運(yùn)行態(tài)和離開運(yùn)行態(tài)兩個(gè)過程。進(jìn)入運(yùn)行態(tài)是指進(jìn)程從等待態(tài)或睡眠態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)，離開運(yùn)行態(tài)是指進(jìn)程被搶占或者主動(dòng)調(diào)用休眠等待系統(tǒng)操作引起。
進(jìn)程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)主要依賴于進(jìn)程調(diào)度算法和硬件的支持。在Linux中，進(jìn)程調(diào)度器實(shí)現(xiàn)了多種進(jìn)程調(diào)度算法，如先進(jìn)先出（FIFO）、最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、時(shí)間片（RR）以及完整動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)（CFS）等。
本文詳細(xì)介紹了Linux內(nèi)核中進(jìn)程管理的實(shí)現(xiàn)原理，包括進(jìn)程控制塊、進(jìn)程表、進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及進(jìn)程調(diào)度等基礎(chǔ)概念和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。閱讀本文可以深入了解Linux操作系統(tǒng)中進(jìn)程管理的內(nèi)部機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方式，對于研究Linux內(nèi)核以及進(jìn)程控制和資源管理有很大的幫助。
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操作系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)：
1、存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)
馮.諾伊曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念，按照存儲(chǔ)程序的原理，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)須先將要執(zhí)行的相關(guān)程序和數(shù)據(jù)放入內(nèi)存儲(chǔ)器中，在執(zhí)行程序時(shí)CPU根據(jù)當(dāng)前程序指針寄存器的內(nèi)容，按地址順序取出存放在內(nèi)存儲(chǔ)器中的指令（按地址順序訪問指令），然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，則轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移地址，再按地址順序訪問指令（程序控制）。linux操作系統(tǒng)就是以存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的工作原理為基礎(chǔ)去管理整個(gè)計(jì)算機(jī)以及整個(gè)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行工作流程。
存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)以運(yùn)算單元為中心， 采用存儲(chǔ)程序原理，存儲(chǔ)器是按地址訪問、線性編址的空間，控制流由指令流產(chǎn)生， 指令由操作碼和地址碼組成，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼。（）
2、堆棧
堆棧（此處不同于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的中堆棧）是內(nèi)存中的一段存儲(chǔ)區(qū)域。堆棧用到的寄存器主要有%esp和%ebp，c語言中堆棧機(jī)制主要用于函數(shù)調(diào)用中上一層函數(shù)相關(guān)寄存器（包括堆棧相關(guān)寄存器，eip寄存器等）的保存，以便從調(diào)用函數(shù)返回至上一層函數(shù)，堆棧還會(huì)保拿鋒渣存調(diào)用函數(shù)的參數(shù)以及函數(shù)中創(chuàng)建的局部變量。
操作系統(tǒng)中的堆棧分為用戶態(tài)堆棧和內(nèi)核態(tài)堆棧，而程序的執(zhí)行又是以進(jìn)程為單位來執(zhí)行的，操作系統(tǒng)使每個(gè)進(jìn)程有各自獨(dú)立的4G地址空間，0~3G為用戶態(tài)，3G~4G為內(nèi)核態(tài)，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和進(jìn)程內(nèi)核堆棧。當(dāng)我們進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用或其他中斷時(shí)內(nèi)核棧會(huì)保存用戶棧的寄存器信息以及返回地址等信息，當(dāng)內(nèi)核進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度切換上下文時(shí)堆棧會(huì)保存前一個(gè)進(jìn)程的上下文，再載入下一進(jìn)程的上下文。
3、中斷
中斷機(jī)制最初是未解決計(jì)算機(jī)和外設(shè)的處理速度不匹配問題，為了提高cpu的工作效率，操作系統(tǒng)引入中斷機(jī)制。
處理器的速度跟外圍硬件設(shè)備的速度往往不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此，如果內(nèi)核采取讓處理器向硬件發(fā)出一個(gè)請求，然后專門等待回應(yīng)的辦法，顯然降低內(nèi)核效率。中斷可以讓內(nèi)核不用等待硬件響應(yīng)，而消悄是去執(zhí)行其他事務(wù)進(jìn)基滲程，當(dāng)硬件處理完畢，通過中斷告知CPU硬件數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，CPU再切換來處理此硬件事務(wù)。
不同的設(shè)備對應(yīng)的中斷不同，而每個(gè)中斷都通過一個(gè)惟一的數(shù)字標(biāo)識(shí)，即中斷號(hào)。從而使得操作系統(tǒng)能夠?qū)χ袛噙M(jìn)行區(qū)分，并知道哪個(gè)硬件設(shè)備產(chǎn)生了哪個(gè)中斷。這樣，操作系統(tǒng)才能給不同的中斷提供不同的中斷處理程序。
中斷使得進(jìn)程能夠并發(fā)的去執(zhí)行，當(dāng)然，并發(fā)并不是并行，而是中斷允許CPU在多個(gè)進(jìn)程之間切換，大大提高了CPU的利用率。中斷是多進(jìn)程能夠正常執(zhí)行以及進(jìn)程間的切換的必不可少的要素。
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