Linux的进程

1.  Linux中的进程和线程

·进程

进程是出于执行期的程序以及它所包含的资源的总称。它有4个要素：

一段可执行的程序；

进程专用的系统堆栈空间；

内核中有一个task_struct数据结构；

有独立的存储空间，意味着拥专有的用户空间；

·线程

如果进程缺少第4个条件，则称为线程。

完全没有用户空间，称为内核线程；如果共享用户空间，称为用户线程。

对Linux来说，线程只是一种进程间共享资源的手段。

注意：此处的线程 与 系统中在用户空间的同一内实现的线程 的区别？(4要素)

Linux系统中，进程在诞生之初都与父进程共用一个存储空间，严格说此时还是线程；当其建立自己的存储空间，并与父进程分道扬镳后，成为真正意义上的进程。

Linux系统中进程process和任务task是同一个意思。

2. 进程描述符 process descriptor

在<linux/sched.h>中定义的task_struct。

Linux通过slab分配器分配task_struct，所以只需在系统堆栈栈底创建一个新结构thread_info，该结构中的task域存放指向该任务的task_struct指针。(参见：http://feizf.blogbus.com/logs/16835565.html)

内核通过PID来标识每个进程，PID存放在各自的进程描述符中。

内核中通过current宏查找当前正在运行进程描述符，该宏的实现与硬件体系结构相关。

3.  进程状态

每个进程必然处在5种状态之一，如下图所示：

task_running表示一个进程正在执行；

task_interruptible和task_uninterruptible均表示进程出于睡眠状态。(这里的中断是指睡眠能否因其它事件而中断)

uninterruptible表示出于深度睡眠而不受信号的打扰。sleep_on( )和wake_up( )用于深度睡眠，interruptible_sleep_on( )和interruptible_wake_up( )；

task_zombie(僵死)表示进程已经结束，只是父进程还没有调用wait4( )系统调用；

task_stopped表示进程停止执行，主要用于调试；

4.  进程上下文的理解

程序在用户空间执行时，当调用了系统调用或者触发异常，就会陷入内核空间。此时称内核“代表进程执行”并处于进程上下文中。所以此时current宏是有效的。

与中断上下文的区别：中断时，系统不代表进程执行，而是执行一个中断处理程序。

5. 进程间的关联方式

1)  进程家族树

所有进程都是PID为1的init进程的后代。

2)  Hash表为基础的进程队列的阵列

对pid进行hash计算，以计算结果为下标在hash表中找到一个队列。

3)   线性队列；

Init_task为头结点，后面创建的进程通过其task_struct结构中的next_task和prev_task两个指针链入这个线性队列。

这3个队列都是静态的，每个进程必同时处于3个队列之中。

在运行的过程中，进程可以动态的链接进可执行队列接受系统的调度。

6. 进程创建

Linux通过fork()和exec()两个函数完成进程的创建。

fork()通过拷贝当前进程创建一个子进程。子进程有自己 的task_struck结构和系统空间堆栈，但与父进程共享其它所有资源。fork()使用写时拷贝copy-on-write页实现。也就是说，资源的复制只有在需要写入的时候才进行，在此之前，只是以只读方式共享。

exec()负责读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行。

创建子进程后，父进程有3个选择：
1)  继续走自己的路。只是如果子进程先于父进程终止，则由内核发给父进程一个信号；
2) 进入睡眠状态，等待子进程结束，然后再继续运行。Linux为此提供了2个系统调用wait4()和wait3()。
3) 父进程通过系统调用exit()自己结束；
从本质上说是两种选择：一种是父进程不受阻non_blocking的方式，也称异步方式；另一种是父进程受阻blocking方式，也称同步方式。

演示进程生命周期的简单程序：
#include<stdio.h>
int main()
{
    int child;
    char *args[]={"/bin/echo","hello","world",NULL};

    if(!child=fork())  //创建子进程
    {
        //child
        printf("pid %d: %d is my father\n", getpid(), getppid());
        execve("/bin/echo",args, NULL);
        printf("pid %d: I am back,something is wrong!\n", getpid());
    }
    else
    {
        int myself=getpid();
        printf("pid %d: %d is my son\n", myself, child);
        wait4(child, NULL, 0, NULL);
        printf("pid %d: done\n", myself);
    }
    return 0;
}
进入main的进程为父进程，它执行了系统调用fork创建一个子进程。
子进程与父进程有相同返回地址，所以两者从内核空间返回到同一点上，从这一点开始有两个进程子执行。但是两者从fork返回值不一样，子进程返回0，父进程返回子进程的pid，所以if(!child=fork())语句将两者分开。
子进程通过execve执行/bin/echo，最后通过exit结束(exit是每个可执行程序映像必有的，虽然程序中没有，但gcc在编译时会自动加上)，而不会执行下面的printf语句。
父进程执行wait4,停下来等待。

6. 进程终结

当一个进程终结时，内核会释放它所占有的资源，并把这一消息告知父进程。
1) 进程的析构发生在它调用exit之后，既可以是显式调用，也可能是隐式的从某个程序的主函数返回（gcc编译链接时会中mian函数返回点后面放置调用exit的代码）；
2)当进程接受到它既不能处理也不能乎略的信号或异常时，它可能被动的终结；
进程终结的任务由do_exit来完成。调用do_exit之后，线程处于僵死状态，只占用内核栈、thread_info结构、task_struct结构，这样作的唯一目的就是向它的父进程提供信息。所以进程结束时的清理工作和进程描述符的删除被分开执行。

如果父进程先于子进程退出，必须有机制保证子进程能找到一个新的父进程，否则进程就会在退出时永远处于僵死状态，白白耗费内存。do_exit中会调用notify_parent，该函时通过forget_original_parent来执行寻父过程。

参考书籍：《Linux内核设计与实现》、《Linux内核源代码分析》