4 Linux 进程管理

4.1 Linux 进程概述

4.1.1 Linux 进程的组成

1.Linux 进程组成：由 正文段（text）、用户数据段（user segment）和系统数据段。

正文段：存放进程要执行的指令代码。Linux 中正文段具有只读属性。
用户数据段：进程运行过程中处理数据的集合，它们是进程直接进行操作的所有数据，包括进程运行处理的数据段和进程使用的堆栈。
系统数据段：存放反映一个进程的状态和运行环境的所有数据。这些数据只能由内核访问和使用。 在系统数据段中包括进程控制块 PCB.。

在 Linux 中，PCB 是一个名为 task_struct 的结构体，称为任务结构体 称为任务结构体。

2.任务结构体的主要内容
任务结构体 task_struct 的大小约 1000B。它定义在源代码的 include/linux/sched.h 下。下面把它的成员
的功能和作用归纳为 9 个方面予以说明：

序号	功能	说明
1）	进程的状态和标志	state 和 flags。
2）	进程的标识。	表示进程标识的成员项：pid，uid，gid 等。
3）	进程的族亲关系	p_opptr、p_pptr、p_cptr、p_vsptr、p_osptr
4）	进程间的链接信息。	Next_task、prev_task、next_run、prev_run。
5）	进程的调度信息。	Counter、priority、rt_priotity、policy。
6）	进程的时间信息。	表示系统中各种时间成员项：start_time、utime、stime、cutime、cstime、timeout。 表示定时器的成员项：it_real_value、it_real_incr、it_virt_value、it_virt_ incr、it_prof_value、it_prof_ incr、real_timer。
7）	进程的虚拟信息。	Mm、ldt、saved_kernel_stack、kernel_stack_page。
8）	进程的文件信息	Fs、file。
9）	与进程通信有关的信息	singnal、blocked、sig、exit_signal、semundo、semsleeping。

3．任务结构体的管理

1. task[]数组
   为了管理系统中所有进程，系统在内核空间设置了一个指针数组 task[]，该数组的每一个元素指向一个任务结构体，所以 task 数组又称 task 向量。
   
   Task 数组的大小决定了系统中容纳进程最大数量。在 linux 内核源代码 kernel/sched.c 中 task 数组的定义如下：

Struct task_struct *task[NR_TASKS]={&init_task}；

可以看到：

👉task[]数组是一个指向 task_struct 结构的指针数组。

👉其中符号常量 NR_TASKS 决定了数组的，/include/linux/task.h 中，它的默认值被定义为512：#define NR_TASKS 512

👉 task[]数组的第一个指针指向一个名字为 init_task 的结构体，它是系统初始化进程 init 的任务结构体。

2）nr_tasks
为了记录系统中实际存在的进程数，系统定义了一个全局变量 nr_tasks，其值随系统中存在的进程数目而变化。在 kernel/fork.c 中，它的定义及初始化如下：

Int nr_tasks =1;

3）双向循环链表
Linux 中把所有进程的任务结构相互连成一个双向循环链表，其首结点就是 init 的任务结构体init_task。这个双向链表是通过任务结构体中的两个成员项指针相互链接而成：

Struct task_struct *next_task；/*指向后一个任务结构体的指针*/
Struct task_struct *prev_task；/*指向前一个任务结构体的指针*/

宏定义：
SET_LINKS：插入一个任务结构体
REMOVE_LINKS：删除一个任务结构体
For_each_task：遍历所有任务结构体

4.1.2 Linux 进程在处理机上的执行状态

在 Linux 系统中，用户不能直接访问系统资源，如处理机、寄存器、存储器和各种外围设备。因此提供了两种不同指令：

一般指令：供用户和系统编程使用，不能直接访问系统资源；
特权指令：供操作系统使用，可以直接访问和控制系统资源；

为了区分处理机在执行那种指令，通常将处理机的执行状态又分为两种：

管态（内核态、系统）
目态（用户态）

由目态转变为管态的情况可能有：

1、进程通过系统调用向系统提出服务请求

2、进程执行某些不正常的操作时，如除数为 0、超出权限的非法访问、用户堆栈溢出等。

3、进程使用设备进行 I/O 操作时，当操作完成或设备出现异常情况时。

4.1.3 进程空间和系统空间

进程的虚拟地址空间：Linux 操作系统运行在多道环境下，多个进程能够同时在系统中并发活动。为了防止进程间的干扰，系统为每个进程都分配了一个相对独立的虚拟地址空间，又称为进程的虚拟内存空间。

进程的虚拟地址空间包含进程本身的代码和数据等，同时还包括操作系统的代码和数据。故进程的虚拟地址空间分两部分：进程空间和系统空间。

进程空间：

👉内核堆栈：进程在需要使用内核功能而通过系统调用运行内核代码时，需要使用堆栈保存数据。这个堆栈是由系统内和使用的，故称内核堆栈。
👉其中系统数据段，只能在内核态执行

系统空间：操作系统的内核映射到进程的虚拟地址空间。（可供多个进程共享，只能内核态执行）

4.1.4 进程上下文和系统上下文

进程上下文：进程的运行环境动态变化，在 linux 中把进程的动态变化的环境总和称为进程上下文。

👉当前进程
👉 进程切换
👉 上下文切换
👉进程通过系统调用执行内核代码时，内核运行是为进程服务，所以此时内核运行在进程上下文中。

系统上下文：内核除了为进程服务，也需要完成操作系统本身任务，如响应外部设备的中断、更新有关定时器、重新计算进程优先级等。 故把系统在完成自身任务时的运行环境称为系统上下文（system context）.