Linux内核设计与实现 第三章

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都是由内核来实现的。

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。

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。

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

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)