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对linux进程的理解


进程是UNIX操作系统抽象概念中最基本的一种,其中涉及进程的定义以及相关的概念,比如线程;它们在内核中如何被列举?如何创建?最终又如何消亡?让我们通过下面的分析,一步步解开内核进程的神秘面纱。

 

1. 进程和线程

 

进程和线程是程序运行时状态,是动态变化的,进程和线程的管理操作(比如,创建,销毁等)都是有内核来实现的。

Linux中的进程于Windows相比是很轻量级的,而且不严格区分进程和线程,线程不过是一种特殊的进程。

所以下面只讨论进程,只有当线程与进程存在不一样的地方时才提一下线程。

 进程提供2种虚拟机制:虚拟处理器和虚拟内存

每个进程有独立的虚拟处理器和虚拟内存,

每个线程有独立的虚拟处理器,同一个进程内的线程有可能会共享虚拟内存。

 内核中进程的信息主要保存在task_struct中(include/linux/sched.h)

进程标识PID和线程标识TID对于同一个进程或线程来说都是相等的。

Linux中可以用ps命令查看所有进程的信息:

ps -eo pid,tid,ppid,comm

 

2. 进程的生命周期

进程的各个状态之间的转化构成了进程的整个生命周期。

进程生命周期

 

3. 进程的创建

Linux中创建进程与其他系统有个主要区别,Linux中创建进程分2步:fork()和exec()。

fork: 通过拷贝当前进程创建一个子进程

exec: 读取可执行文件,将其载入到内存中运行

创建的流程:

  1. 调用dup_task_struct()为新进程分配内核栈,task_struct等,其中的内容与父进程相同。
  2. check新进程(进程数目是否超出上限等)
  3. 清理新进程的信息(比如PID置0等),使之与父进程区别开。
  4. 新进程状态置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE
  5. 更新task_struct的flags成员。
  6. 调用alloc_pid()为新进程分配一个有效的PID
  7. 根据clone()的参数标志,拷贝或共享相应的信息
  8. 做一些扫尾工作并返回新进程指针

创建进程的fork()函数实际上最终是调用clone()函数。

创建线程和进程的步骤一样,只是最终传给clone()函数的参数不同。

比如,通过一个普通的fork来创建进程,相当于:clone(SIGCHLD, 0)

创建一个和父进程共享地址空间,文件系统资源,文件描述符和信号处理程序的进程,即一个线程:clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0)

在内核中创建的内核线程与普通的进程之间还有个主要区别在于:内核线程没有独立的地址空间,它们只能在内核空间运行。

这与之前提到的Linux内核是个单内核有关。

 

4. 进程的终止

和创建进程一样,终结一个进程同样有很多步骤:

 子进程上的操作(do_exit)

  1. 设置task_struct中的标识成员设置为PF_EXITING
  2. 调用del_timer_sync()删除内核定时器, 确保没有定时器在排队和运行
  3. 调用exit_mm()释放进程占用的mm_struct
  4. 调用sem__exit(),使进程离开等待IPC信号的队列
  5. 调用exit_files()和exit_fs(),释放进程占用的文件描述符和文件系统资源
  6. 把task_struct的exit_code设置为进程的返回值
  7. 调用exit_notify()向父进程发送信号,并把自己的状态设为EXIT_ZOMBIE
  8. 切换到新进程继续执行

子进程进入EXIT_ZOMBIE之后,虽然永远不会被调度,关联的资源也释放掉了,但是它本身占用的内存还没有释放,
比如创建时分配的内核栈,task_struct结构等。这些由父进程来释放。

父进程上的操作(release_task)

父进程受到子进程发送的exit_notify()信号后,将该子进程的进程描述符和所有进程独享的资源全部删除。

从上面的步骤可以看出,必须要确保每个子进程都有父进程,如果父进程在子进程结束之前就已经结束了会怎么样呢?

子进程在调用exit_notify()时已经考虑到了这点。如果子进程的父进程已经退出了,那么子进程在退出时,exit_notify()函数会先调用forget_original_parent(),然后再调用find_new_reaper()来寻找新的父进程。

find_new_reaper()函数先在当前线程组中找一个线程作为父亲,如果找不到,就让init做父进程。(init进程是在linux启动时就一直存在的)

 

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