Linux高级调试与优化——进程管理和调度
进程管理
进程和文件是Linux操作系统的两个最基本的抽象。
进程是处于执行期的程序,进程不仅仅局限于一段可执行程序代码,通常还包含其他资源,如打开的文件、挂起的信号、内核内部数据、处理器状态、进程地址空间及一个或者多个执行线程(thread of execution)、当然还包括用来存放全局变量的数据段等。
线程(thread)是内核调度的对象,每个线程都拥有一个独立的程序计数器(PC指针)、函数调用栈和一组寄存器值。在Linux内核中,线程只不过是一种特殊的进程,线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。而不管是线程还是进程,在Linux内核看来,都是一个任务(task),由一个task_struct结构体描述,即任务描述符,任务描述符通常位于进程内核栈的栈底,32位系统中其大小为1.7KB左右。
进程是资源管理的最小单位,线程是程序执行的最小单位。
进程提供了两种虚拟机制:虚拟处理器和虚拟内存。他们给进程一种假象,独占CPU且独享内存。
1.1 task_struct
Linux内核把进程存放在叫做任务队列(task list)的双向循环链表中,链表中的每一项都是task_struct结构体变量,描述一个具体进程的所有信息。
Linux通过slab分配器分配task_struct结构,这样能达到对象复用和缓存着色(cache coloring)的目的。其机制是Linux内核预先分配一组大小都为task_struct结构体大小的内存(结构体数组),当创建一个进程时,快速分配一个task_struct结构体项(数组成员)。
在2.6以前的内核中,各个进程的task_struct存放在他们内核栈的尾端。
Linux内核通过PID来唯一标识每个进程,PID的最大值默认为32768,即一个short int短整型数据。可以通过设置/proc/sys/kernel/pid_max提高上限。
在Linux内核中,访问任务通常需要获得指向其task_struct结构体的指针,通过current宏可以实现。
1.2 进程状态
task_struct->state记录进程状态:
TASK_RUNNING(运行状态)——正在执行,或者在运行队列中等待执行
TASK_INTERRUPTIBLE(可中断状态)——进程正在睡眠(或者阻塞),等待某些条件达成之后,内核就会把进程状态设置为运行
TASK_UNINTERUPTIBLE(不可中断状态)——与可中断状态相比,不可中断状态对信号不作响应
TASK_ZOMBIE(僵死状态)——该进程已经结束,但是其父进程还没有调用wait4()系统调用,即为了让父进程能够获知它的消息,子进程的task_struct仍然被保留着
TASK_STOPPED(停止状态)——进程停止执行,通常发生在进程接收到SIGSTOP/SIGTSTP/SIGTTIN/SIGTTOU等信号时
Linux系统中,用户态所有进程都是PID为1的init进程的后代,内核在系统启动的最后阶段启动init进程。
Linux中每个进程都必须有一个父进程,每个进程可以拥有0~N个子进程。如果父进程在子进程之前退出,必须有机制来保证子进程可以找到继父,否则这些成为孤儿的进程就会在退出时永远处于僵死状态(保留task_struct结构体而空耗资源),白白浪费内存。解决的方法是给子进程在当前线程组找一个线程作为继父,如果不行,就让init进程做它们的继父。
1.3 内核线程(kernel thread)
内核经常需要在后台执行一些操作,这种任务可以通过内核线程完成——独立运行在内核空间的标准进程。内核线程和普通进程的区别在于内核线程没有独立的地址空间(实际上它的mm指针被设置为NULL)。它只在内核空间运行,从来不切换到用户空间。内核线程和普通进程一样,可以被调度,也可以被抢占。
进程调度
Linux内核为多任务可抢占式内核。进程调度就是负责CPU资源的分配,满足所有进程对CPU资源的需求。
调度程序中最基本的数据结构是可执行队列(run queue),现代CPU一般都是多核架构,Linux内核为每一个核维护一个唯一的可执行队列。
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