Linux 进程概述

浅谈Linux进程

作者：嵌入式学院武汉华嵌中心技术支持涂佩君



内容清单：
1.
在Linux内核内进程表示

2.
在Linux内进程管理

3.
在Linux内核创建一个进程

引言

Linux的用户空间进程的创建和管理所涉及的原理与UNIX有很多共同点，但也有一些特定于Linux的独特之处。在本文中，了解Linux进程的生命周期，探索用户进程创建、内存管理内幕。
Linux是一种动态系统，能够适应不断变化的计算需求。Linux计算需求的表现是以进程的通用抽象为中心的。进程可以是短期的（从命令行执行的一个命令），也可以是长期的（一种网络服务）。因此，对进程及其调度进行一般管理就显得极为重要。
在用户空间，进程是由进程标识符（PID）表示的。从用户的角度来看，一个PID是一个数字值，可惟一标识一个进程。一个PID在进程的整个生命期间不会更改，但PID可以在进程销毁后被重新使用，所以对它们进行缓存并不见得总是理想的。
在用户空间，创建进程可以采用几种方式。可以执行一个程序（这会导致新进程的创建），也可以在程序内，调用一个fork或exec系统调用。fork调用会导致创建一个子进程，而exec调用则会用新程序代替当前进程上下文。接下来，我将对这几种方法进行讨论以便您能很好地理解它们的工作原理。
具体介绍：

进程表示

在Linux
内核内，进程是由相当大的一个称为task_struct的结构表示的。此结构包含所有表示此进程所必需的数据，此外，还包含了大量的其他数据用来统计（accounting）和维护与其他进程的关系（父和子）。清单1给出了task_struct的一小部分。task_struct
于./linux/include/linux/sched.h。

清单1.task_struct的一小部分
structtask_struct{
volatilelongstate;//state变量是一些表明任务状态的比特位

void*stack;
unsignedintflags;//flags定义了很多指示符，表明进程是否正在被（PF_STARTING）//或退出（PF_EXITING），或是进程当前是否在分配内存（PF_MEMALLOC）
intprio,static_prio;//static_prio优先级

structlist_headtasks;

structmm_struct*mm,*active_mm;//mm代表的是进程的内存描述符,//active_mm则是前一个进程的内存描述符（为改进上下文切换时间的一种优化）。

pid_tpid;
pid_ttgid;

structtask_struct*real_parent;

charcomm[TASK_COMM_LEN];//可执行程序的名称

structthread_structthread;//标识进程的存储状态

structfiles_struct*files;

...
};

进程管理

现在，让我们来看看如何在Linux
内管理进程。在很多情况下，进程都是动态创建并由一个动态分配的task_struct表示。一个例外是init进程本身，它总是存在并由一个静态分配的task_struct表示。在./linux/arch/i386/kernel/init_task.c
内可以找到这样的一个例子。Linux内所有进程的分配有两种方式。第一种方式是通过一个哈希表，由PID值进行哈希计算得到；第二种方式是通过双链循环表。循环表非常适合于对任务列表进行迭代。由于列表是循环的，没有头或尾；但是由于init_task总是存在，所以可以将其用作继续向前迭代的一个锚点。让我们来看一个遍历当前任务集的例子。

清单2.发出任务信息的简单内核模块（procsview.c）

#include<linux/kernel.h>

#include<linux/module.h>

#include<linux/sched.h>

staticint__initinit_module(void)

{

structtask_struct*task=&init_task;

do{

printk(KERN_INFO"***%s[%d]parent%s\n",

task->comm,task->pid,task->parent->comm);

}while((task=next_task(task))!=&init_task);

return0;

}

Staticvoid__exitcleanup_module(void)

{

return;

}

module_init(init_module);

module_exit(cleanup_module);

MODULE_LICENSE("GPL");

注意，还可以标识当前正在运行的任务。Linux维护一个称为current的符号，代表的是当前运行的进程（类型是task_struct）。

staticinlinestructtask_struct*get_current(void)
{
structtask_struct*current;
__asm__("andl%%esp,%0;":"=r"(current):"0"(~8191UL));
returncurrent;
}
#definecurrentget_current()

附:最大进程数
在Linux内虽然进程都是动态分配的，但还是需要考虑最大进程数。在内核内最大进程数是由一个称为max_threads的符号表示的，它可以在./linux/kernel/fork.c内找到。可以通过/proc/sys/kernel/threads-max的proc文件系统从用户空间更改此值。

进程创建

如何从用户空间创建一个进程。用户空间任务和内核任务的底层机制是一致的，因为二者最终都会依赖于一个名为do_fork的函数来创建新进程。在创建内核线程时，内核会调用一个名为kernel_thread的函数（参见./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函数执行某些初始化后会调用
do_fork。

创建用户空间进程的情况与此类似。在用户空间，一个程序会调用fork，这会导致对名为sys_fork的内核函数的系统调用（参见./linux/arch/i386/kernel/process.c）。

您可能已经看到过系统调用的模式了。在很多情况下，系统调用都被命名为sys_*并提供某些初始功能以实现调用（例如错误检查或用户空间的行为）。实际的工作常常会委派给另外一个名为do_*的函数。

kernel_thread函数的作用是产生一个新的线程,内核线程实际上就是一个共享父进程地址空间的进程,它有自己的系统堆栈.

假设我们在structdev中定义了structtask_struct*thread;

在初始化函数创建并启动该线程;

thread=kthread_run(kthread_fun,dev,"%s",dev->name);

在注销函数中：

kthread_stop(dev->thread);//停止内核线程

附：

创建并启动线程的函数：

structtask_struct*kthread_run(int(*threadfn)(void*data),void*data,

constchar*namefmt,...);

线程一旦启动起来后，会一直运行，除非该线程主动调用do_exit函数，或者其他的进程调用kthread_stop函数，结束线程的运行。

intkthread_stop(structtask_struct*thread);//kthread_stop()通过发送信号给线程。

当然还可以使用kthread_create创建线程，但线程创建后，不会马上运行，而是需要将kthread_create()返回的task_struct指针传给wake_up_process()，然后通过此函数运行线程。

structtask_struct*kthread_create(int(*threadfn)(void*data),void*data,constchar*namefmt,...);

#definekthread_run(threadfn,data,namefmt,...)\

({\

structtask_struct*__k\

=kthread_create(threadfn,data,namefmt,##__VA_ARGS__);\

if(!IS_ERR(__k))\

wake_up_process(__k);\

__k;\

})
可见这里的函数kthread_create（）只是创建了内核线程，而最后启动是怎么启动的呢，我们看到了后面的wake_up_process（）函数，没错就是这个函数启动了这个线程，让它在一开始就一直运行下去。知道遇见kthread_should_stop函数或者kthread_stop()函数。