第一次做業：基於Linux-0.12的進程分析

　　此次做業主要基於Linux-0.12的源代碼，分析Linux是如何組織進程，進程的狀態之間是如何轉換，以及進程是如何調度的。

一. 進程的概念：

　　1.進程就是：程序在數據集合上的一次運行過程，是系統進行資源分配和調度的獨立單位。

　　2.對進程的靜態描述爲：是一個數據集合，以及在其上運行的程序。

　　3.我原本認爲進程與程序是差很少的東西，但發現他們其實並不同，進程是一個動態的概念，不一樣於程序又依賴於程序，既有聯繫又有區別，進程具有程序不具有的特徵，好比：

　　　1).動態特徵：進程具備生命週期，建立以後才產生，調度時運行，得不到資源就發生阻塞，撤銷以後就消亡。進程自己就是一個執行過程，程序，卻僅僅是個靜態文本（指令合集）；

　　　2).併發特徵：多個進程實體，同存於主存中，能在一段時間內同時運行。因而可知進程的併發特徵是其第二基本特徵，程序不具有併發性；

　　　3).獨立特徵：進程是系統進行資源分配和調度的一個基本單位，程序段是不可作爲獨立單位接收資源分配和調度的；

　　　4).結構特徵（靜態特徵）：爲了描述進程的運動變化過程系統爲每個進程配置了一個進程控制塊（PCB：Process Control Block），這樣靜態的看或從結構上看，進程就由正文段，數據集合（結構）以及PCB三部分組成，通常將這三部分組成結構成爲進程映像：

進程映像

　　

　　　5). 異步特徵：各進程按照其各自獨立的，不可預知的速度向前推動。

　　In a word， 進程 == 能夠和其餘程序併發執行的 程序的 一次執行。

二. Linux操做系統是怎麼組織進程的：

　　1. Linux是一個多任務的開放式操做系統，進程就是許多分離的任務，每個進程彼此獨立，並經過進程間的通訊機制實現進程之間的同步與互斥。在Linux系統中，進程與任務是相同的概念。

　　2. 系統中有許多進程，Linux要對其進行管理和調度，就要經過存放在系統數據段中的進程控制信息，其中最重要的就是task_struct數據結構。

• • • 正文段：是具備可再入性的代碼組成的程序（可再入程序也稱純代碼，可同時被多個進程或程序所共享的程序），所以對用不一樣的數據集，能夠構成不一樣的進程，因此正文段是能夠調用可是不能夠修改的，通常狀況下是由系統程序組成。
    • ^* 進程控制塊（PCB）：PCB中記錄了用於描述進程狀況及控制進程運行所需的所有屬性信息。系統經過PCB感知進程的存在，是進程進行控制存在的惟一標識。系統根據PCB來對併發執行的進程進行控制和管理。系統會在建立進程時就建立該進程的PCB，在撤銷一個進程時就撤銷其PCB。當操做系統要調用進程執行時。須要從該進程的PCB中查詢其現行狀態機優先級等調度參數，在調度到某進程後，要根據PCB中保存的處理機狀態信息去設置進程回覆運行的現場，並根據其PCB中的進程和數據的內存地址來找到程序和數據；進程在執行過程當中，當須要與其它進程通訊時，也須要訪問其PCB；當進程因某種緣由而暫停執行時，須要將斷點的現場信息保存在其PCB中。
    • 數據集合：由數據所組成的集合。　

PCB一般包含的內容
進程描述信息	進程控制和管理信息	資源分配清單	處理機相關信息
進程標識符(PID)	進程當前狀態	代碼段指針	通用寄存器值
用戶標識符(UID)	進程優先級	數據段指針	地址寄存器值

　　3. 在linux內核代碼定義了task_struct 數據結構，包含了一個進程全部的信息：

 1 struct task_struct {  2 /* these are hardcoded - don't touch */
 3     long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
 4     long counter;  5     long priority;  6     long signal;  7     struct sigaction sigaction[32];  8     long blocked;    /* bitmap of masked signals */
 9 /* various fields */
10     int exit_code; 11     unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack; 12     long pid,pgrp,session,leader; 13     int groups[NGROUPS]; 14     /* 
15  * pointers to parent process, youngest child, younger sibling, 16  * older sibling, respectively. (p->father can be replaced with 17  * p->p_pptr->pid) 18      */
19     struct task_struct    *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr; 20     unsigned short uid,euid,suid; 21     unsigned short gid,egid,sgid; 22     unsigned long timeout,alarm; 23     long utime,stime,cutime,cstime,start_time; 24     struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; 25     unsigned int flags;    /* per process flags, defined below */
26     unsigned short used_math; 27 /* file system info */
28     int tty;        /* -1 if no tty, so it must be signed */
29     unsigned short umask; 30     struct m_inode * pwd; 31     struct m_inode * root; 32     struct m_inode * executable; 33     struct m_inode * library; 34     unsigned long close_on_exec; 35     struct file * filp[NR_OPEN]; 36 /* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */
37     struct desc_struct ldt[3]; 38 /* tss for this task */
39     struct tss_struct tss; 40 }; 

三. 進程狀態如何轉換（給出進程狀態轉換圖）：

　　1. 在多道程序系統中，多個進程都要在CPU上運行，有時還要申請使用其餘資源，因爲資源的寶貴性，使得並不是每一個進程都能當即獲得資源，從而致使進程之間的競爭（競爭是由兩個以上進程以顯式或隱式的方式共享資源而引發的狀態）。

　　2. 通常狀況下進程有三種狀態，就緒（資源，CPU），運行（資源，CPU），阻塞（資源，CPU）。

　　3. Linux在每一個進程的task_struct結構中，定義了state域來描述進程的調度狀態，共有五種，定義以下：

1 #define TASK_RUNNING        0
2 #define TASK_INTERRUPTIBLE    1
3 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2
4 #define TASK_ZOMBIE        3
5 #define TASK_STOPPED        4

#define TASK_RUNNING        0

 　　　　1）運行態或可運行態：已經佔有CPU正在運行，或者正處於運行隊列中，等待着系統的進程調度程序schedule()將CPU分配給它。系統中有一個運行隊列run_queue，容納了全部處於可運行狀態的進程，當前正在運行的進程也一直處於該隊列中，由全局變量current指向。

　　　　^*該狀態是Linux與通常操做系統的區別，在其餘操做系統中，只有正在使用CPU的進程才處於運行狀態，其餘都處於就緒狀態。

#define TASK_INTERRUPTIBLE    1

　　　　2）進程可中斷的睡眠態：因等待某一事件或某種資源而加入等待隊列，等待資源有效時被喚醒。

#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2

　　　　3）進程不可中斷的睡眠態：此時的進程由於硬件條件的不知足而睡眠，處於等待隊列中，在任何狀況下都不能被打斷，除非經過特定的方式來喚醒，好比經過喚醒函數wake_up()等。

#define TASK_ZOMBIE        3

　　　　4）進程僵死狀態（終結態）：當進程使用系統調用exit自我消亡時，將state設爲此狀態。發送信號給父進程並釋放佔有的系統資源，但它的task_struct結構仍未釋放。父進程經過系統調用wait收集其中包含的出口碼及一些計時信息後，釋放他的task_struct結構。

#define TASK_STOPPED        4

　　　　5）進程被暫停運行狀態：進程暫時中止運行來接受某種處理，經過其餘進程的信號才能喚醒。

　4. 進程狀態的轉換：

　　　　1).Linux中用戶進程是由父進程執行系統調用fork()或者clone()等建立的。這些系統調用都經過調用do_fork()函數來完成子進程的建立。do_fork()函數建立一個新進程，爲其建立一個task_struct結構，繼承父進程現有的資源，子進程建立後的狀態爲TASK_RUNNING態，父進程將它掛入到運行隊列run_queue中，等待處理器的分配。

　　　　2).得到CPU而正在運行的進程若是申請不到某個資源，則調用函數sleep_on()或interruptible_sleep_on()轉入睡眠，其task_struct結構從run_queue隊列移入xiangying的等待隊列。若是調用sleep_on()，則其狀態轉入不可中斷的睡眠態TASK_UNINTERRUPTIBLE，若是調用interruptible_sleep_on()，則其狀態轉入可中斷睡眠態TASK_INTERRUPTIBLE 。不管轉入哪一種睡眠狀態，都將調用schedule()函數把睡眠進程釋放的CPU從新分配給run_queue隊列中的某個可運行的進程。

　　　　3).轉入TASK_INTERRUPTIBLE的睡眠進程在它申請的資源有效時將被喚醒（被某函數，信號或者中斷），而轉入TASK_UNINTERRUPTIBLE的睡眠進程只有在它申請的資源有效時被喚醒，不能被信號，定時器中斷喚醒。這些被喚醒的進程都轉入TASK_RUNNING狀態， 並進入run_queue隊列。

　　　　4).當進程收到暫停或中止信號時，狀態轉入TASK_STOPPED ，暫停運行，CPU從新分配給run_queue隊列中的其餘可運行進程，只有經過其餘進程發送恢復信號，才能把TASK_STOPPED 進程喚醒，從新進入run_queue隊列。

　　　　5).當進程運行完成，執行系統調用exit()或do_exit()時，進程轉入僵死態TASK_ZOMBIE，釋放所佔有的系統資源，同時啓動schedule()把CPU分配給run_queue隊列中的其餘進程。

　　5. 進程狀態轉換圖：

 

四. 進程是如何調度的：

　　1. Linux主要採用了基於優先權的時間片輪轉法爲進程分配CPU。按照這種調度方法，系統給每一個運行進程分配一個時間片，而優先權的大小又決定了哪一個進程被調度運行（Linux的進程調度並不侷限於某一種調度策略，它融合了基於優先權的輪轉法調度，基於優先權的先進先出調度以及多級反饋輪轉調度的策略，具備很高的綜合性）。　

　　2. 

       long priority;

 

　　　　1). 進程（實時和普通）的優先級反映了進程相對於其餘進程的可選擇度，也是系統每次容許進程運行的時間。

       long counter;

　　　　2). 進程運行所剩餘的時間片，每次時鐘中斷髮生時，值-1，直到爲0，counter = 0表示進程的時間片已經用完，要中止運行。

　　3. Linux進程調度時機主要有：

1). 進程狀態轉換的時時。如進程終止、進程睡眠；

2). 當前進程的時間片用完時（current->counter=0），要從新選擇一個進程；

3). 設備驅動程序，直接調用schedule()；

4). 進程從中斷、異常及系統調用處理後返回到用戶態時。 

　　4. Linux-0.12 schedule()以下：

void schedule(void) { int i,next,c; struct task_struct ** p; /*有信號來時，喚醒進程*/
    for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p) if (*p) { if ((*p)->timeout && (*p)->timeout < jiffies) { (*p)->timeout = 0; if ((*p)->state == TASK_INTERRUPTIBLE) (*p)->state = TASK_RUNNING; } if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) { (*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1)); (*p)->alarm = 0; } if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) && (*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE) (*p)->state=TASK_RUNNING; }
    while (1) { c = -1; next = 0; i = NR_TASKS; p = &task[NR_TASKS]; while (--i) { if (!*--p) continue; if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c) c = (*p)->counter, next = i; } if (c) break; for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p) if (*p) (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) + (*p)->priority; } switch_to(next); }

五. 我對Linux操做系統進程模型的見解：

　　Linux支持多進程，進程控制塊task_struct結構包括進程標識，進程狀態，進程調度，進程指針，文件管理和虛存管理等，Linux對普通進程採用的是優先級調度策略。儘可能公平合理的進行各進程之間的調度。

六.  參考資料：

 

https://blog.csdn.net/hgnuxc_1993/article/details/54847732

 

http://www.docin.com/p-820504201.html

 

https://blog.csdn.net/songjinshi/article/details/23262923

 

操做系統原理與分析（初版）；曹聰，範廉明 著；科學出版社