linux源码解读系列

2024-01-07 19:03:22

学习目标：

  • 理解Linux内核中的进程管理机制的基本概念和原理
  • 掌握Linux内核中进程的创建、调度和终止的流程
  • 理解进程调度算法在Linux内核中的应用
  • 学习如何获取和管理进程的信息
  • 理解进程间通信（IPC）的基本概念和机制

学习内容：

  1. 进程管理的基本概念和原理：
    • 进程的定义和特点
    • 进程控制块（PCB）的结构和作用
    • 进程状态的转换和流程
  2. 进程的创建与终止：
    • 进程的创建流程和相关的系统调用
    • 进程的终止流程和相关的系统调用
  3. 进程调度算法：
    • 进程调度的基本概念和需求
    • Linux内核中常用的进程调度算法，如时间片轮转、优先级调度等
    • 调度器的实现和调度策略的配置
  4. 进程信息获取和管理：
    • 进程标识符（PID）的获取和使用
    • 进程的状态、优先级、资源使用情况等信息的获取
    • 进程的信号处理和进程间通信（IPC）
  5. 进程间通信（IPC）的基本概念和机制：
    • 进程间通信的需求和分类
    • Linux内核中常用的IPC机制，如管道、信号量、共享内存、消息队列等的原理和使用方法

学习时间：

  • 周一至周五晚上 7 点—晚上9点
  • 周六上午 9 点-上午 11 点
  • 周日下午 3 点-下午 6 点

学习产出：

  1. 进程管理的基本概念和原理：

    • 进程的定义和特点

进程是计算机中正在执行的程序的实例。它是计算机系统中最基本的执行单位，具有以下特点：

  1. 独立性：每个进程都是独立运行的，它拥有自己的地址空间、文件描述符、环境变量等资源。
  2. 动态性：进程是一个不断变化的实体，可以创建、终止和调度。
  3. 并发性：多个进程可以同时存在于系统中并且并发执行，实现了多任务的能力。
  4. 独享性：每个进程都有自己的私有资源，如内存、打开的文件等，其他进程不能直接访问。
  5. 合作性：进程可以通过进程间通信（IPC）机制来进行相互合作和信息交换。

进程的定义通常包括进程控制块（Process Control Block，PCB），也称为进程描述符。PCB是内核中用来描述和管理进程的数据结构，它存储了进程的状态、指令指针、寄存器值、资源使用情况等信息。PCB的创建和销毁由操作系统负责，操作系统通过管理PCB来实现对进程的调度和管理。

通过进程的创建、调度和终止，操作系统能够实现对计算机资源的合理分配和利用，同时确保多个进程之间的互不干扰和安全运行。进程管理是操作系统中最核心和重要的功能之一，对于理解和优化系统性能至关重要。

    • 进程控制块（PCB）的结构和作用

进程控制块（PCB）是操作系统中用来描述和管理进程的数据结构。它存储了进程的状态、指令指针、寄存器值、资源使用情况等信息。PCB的结构和作用如下：

1. 进程标识符（Process ID，PID）：每个进程都有唯一的标识符，在系统中用于区分不同的进程。

2. 程序计数器（Program Counter，PC）：记录了当前指令的地址，当进程被调度执行时，会从PC地址开始执行指令。

3. 寄存器集合：保存了进程当前的寄存器状态，包括通用寄存器、栈指针、堆栈顶指针、程序状态字等。当进程被中断或切换时，需要保存和恢复这些寄存器的值。

4. 进程状态（Process State）：记录了进程当前所处的状态，如运行、就绪、阻塞等。操作系统根据进程状态来管理和调度进程的执行。

5. 进程优先级（Process Priority）：用于确定进程在调度时的优先级，高优先级的进程会被先执行。

6. 资源使用情况：记录了进程所占用的资源情况，包括内存、文件、设备等。操作系统通过管理这些资源的使用情况来实现资源的分配和共享。

7. 进程控制信息：存储了与进程管理相关的信息，包括进程的父子关系、信号处理器、打开文件列表等。

PCB的作用是为操作系统提供了对进程的管理和调度的基础。通过操作和修改PCB中的信息，操作系统可以实现对进程的创建、销毁、调度和控制等功能。PCB也是进程间通信（IPC）和同步的重要机制，它可以用于传递消息和共享信息。同时，PCB的存在也确保了进程的独立性和隔离性，使得多个进程能够在系统中并行执行且互不干扰。

    • 进程状态的转换和流程

进程状态的转换和流程是操作系统中进程管理的核心部分。下面是进程状态的常见转换和流程：

  1. 创建（Create）：当一个进程被创建时，它会处于创建状态。此时，操作系统会为该进程分配一个唯一的进程标识符（PID），并初始化相应的数据结构，如进程控制块（PCB）。

  2. 就绪（Ready）：在创建状态之后，进程进入就绪状态，表示它已经准备好执行。此时，进程已经分配到了所需的资源，等待被调度执行。在多道程序设计中，多个就绪状态的进程会按照优先级等待调度执行。

  3. 运行（Running）：当一个进程被调度到CPU上执行时，它进入运行状态。此时，进程开始执行其指令，并占用CPU资源。在单处理器系统中，一次只能有一个进程处于运行状态；而在多处理器系统中，多个进程可以并行执行。

  4. 阻塞（Blocked）：当一个进程无法继续执行，因为它需要等待某些事件的发生（如等待输入输出、等待资源的释放等），进程会进入阻塞状态。在此状态下，进程将被移出调度队列，不占用CPU资源，直到所需事件发生才能转移到就绪状态。

  5. 结束（Terminate）：当一个进程完成任务或被终止时，它将进入结束状态。在结束状态下，进程会释放占用的资源，并将自己的PCB从系统中移除。

进程状态的转换和流程通常由操作系统内核进行控制和管理。操作系统会根据进程的状态和优先级，选择合适的进程进行调度，使其从就绪状态转换为运行状态。同时，操作系统会监控各个进程的状态，并根据资源的可用性和进程的需求，进行状态的转换，从而实现进程的协同和资源的有效利用。

  1. 进程的创建与终止：

    • 进程的创建流程和相关的系统调用

进程的创建是通过系统调用来实现的。在Linux系统中，常用的进程创建相关的系统调用是fork()和exec()。

1. fork()系统调用：fork()系统调用用于创建一个新的进程，新进程是原有进程（父进程）的副本。fork()调用成功后，会创建一个新的进程，该进程具有与父进程相同的代码、数据和打开的文件。新进程的PID（进程标识符）将会是唯一的，并且与父进程的PID不同。在父进程中，fork()系统调用会返回新创建进程的PID，在子进程中，fork()系统调用返回0。父进程和子进程之间的区别可以通过返回值来进行判断，然后可以在父子进程中执行不同的代码。

2. exec()系统调用：exec()系统调用用于在当前进程的上下文中加载一个新的程序。exec()调用将会把当前进程的代码段、数据段和堆栈段等替换为新程序的代码和数据，从而使进程执行新的程序。exec()系统调用可以根据提供的参数来指定要执行的程序文件，以及传递命令行参数给新程序。常见的exec()系统调用有execve()、execl()、execv()等，不同的调用方式提供了不同的参数传递方式。

进程的终止通常是通过系统调用exit()来实现的。exit()系统调用用于终止当前进程，并返回一个退出状态值给父进程。终止进程后，操作系统会回收该进程所占用的资源，并通知父进程。在Linux系统中，进程终止时会触发一系列的处理，包括关闭打开的文件、释放内存等。

总结起来，进程的创建通过fork()系统调用，将父进程复制成子进程；进程的加载和执行通过exec()系统调用，用新程序替换当前进程的代码和数据；进程的终止通过exit()系统调用，通知操作系统回收资源并通知父进程。

    • 进程的终止流程和相关的系统调用

进程的终止通常涉及到以下的流程和相关的系统调用：

  1. 正常终止流程：当进程执行完所有的任务后，可以通过调用exit()系统调用来正常终止进程。exit()系统调用会将进程的退出状态码传递给操作系统。进程的退出状态码是一个整数值，用于告知父进程或其他进程该进程的退出情况。调用exit()系统调用后，操作系统会进行一系列的清理工作，包括关闭打开的文件、释放内存、发送信号给父进程等。

  2. 异常终止流程：进程也可以由于异常情况而终止，如内存访问错误、除零错误等。在这种情况下，操作系统会接收到异常信号，并终止进程的执行。操作系统会记录相关的错误信息，并进行一系列的清理工作，以确保进程的异常终止不会影响其他进程和系统的正常运行。

  3. 父进程终止后对子进程的处理：当一个进程（父进程）终止时，操作系统会检查该进程是否有子进程。如果有子进程，操作系统会将这些子进程的父进程修改为init进程（PID为1的进程），以确保这些子进程不会变成僵尸进程。僵尸进程是指已经终止但父进程仍然没有处理其终止状态的进程。init进程会负责回收这些僵尸进程的资源。

总结起来，进程的终止可以通过调用exit()系统调用来正常终止，也可以由于异常情况而终止。在进程终止后，操作系统会根据情况进行清理工作，并处理子进程的状态，以确保系统的稳定性和正常运行。

  1. 进程调度算法：

    • 进程调度的基本概念和需求

进程调度是操作系统中一个重要的功能，它决定了在多道程序环境下，操作系统如何分配有限的系统资源给各个进程，以实现最佳的资源利用和性能优化。进程调度的基本概念和需求如下：

1. 进程调度的基本概念：
? ?- 进程：计算机系统中正在运行的程序，它是资源的分配单位和执行单位。
? ?- 调度器：操作系统的一部分，负责根据一定的策略和算法，将处理器分配给不同的进程。
? ?- 调度算法：为了合理地分配处理器资源，减少等待时间和提高系统性能，调度器采用各种算法决定进程的调度顺序。
? ?- 调度队列：将处于不同状态的进程按照不同的规则组织在不同的队列中，以便调度器根据需要从中选择进程。

2. 进程调度的需求：
? ?- 公平性：保证每个进程都有机会获得处理器资源，避免某些进程占用过久而导致其他进程无法运行。
? ?- 高效性：尽可能减少进程的等待时间，提高系统的整体性能。
? ?- 响应时间：对于交互式进程，要求系统能够快速响应用户的操作，减少用户的等待时间。
? ?- 吞吐量：系统应该能够尽可能多地完成进程执行，提高系统的吞吐量。

为了满足这些需求，操作系统采用了多种进程调度算法，如先来先服务调度算法（FCFS）、短作业优先调度算法（SJF）、时间片轮转调度算法（RR）等，每种算法都有其优缺点和适用场景。操作系统需要根据具体情况选择合适的调度算法，以实现对进程的合理调度和资源管理。

    • Linux内核中常用的进程调度算法，如时间片轮转、优先级调度等

在Linux内核中，常用的进程调度算法包括时间片轮转调度算法（Round-Robin Scheduling）、优先级调度算法（Priority Scheduling）以及多级反馈队列调度算法（Multilevel Feedback Queue Scheduling）。

  1. 时间片轮转调度算法（Round-Robin Scheduling）：

    • 基本原理：每个进程被分配一定的时间片，当时间片用完后，进程会被挂起，等待下一次调度。被挂起的进程会被放到等待队列的末尾，下一个进程会被选择执行。
    • 特点：公平且适用于长时间运行的进程，可以避免长时间占用处理器的进程导致其他进程无法运行。
    • Linux中的实现：Linux内核中使用CFS（完全公平调度）算法，它是一种改进的时间片轮转调度算法。

  2. 优先级调度算法（Priority Scheduling）：

    • 基本原理：每个进程被分配一个优先级，优先级较高的进程会被优先执行。如果有多个进程具有相同的优先级，则采用时间片轮转调度算法。
    • 特点：可以根据任务的重要性和紧急程度进行灵活调度，但是可能会导致低优先级的进程长时间等待资源。
    • Linux中的实现：Linux内核中使用了动态优先级调度算法，通过动态调整进程的优先级，保证系统的平衡性和公平性。

  3. 多级反馈队列调度算法（Multilevel Feedback Queue Scheduling）：

    • 基本原理：将进程按照优先级划分为多个队列，每个队列有不同的时间片大小，进程在队列中按照时间片轮转调度算法执行。当一个进程使用完当前队列的时间片后，如果优先级较高，则被移到上一个队列；如果优先级较低，则继续留在当前队列。
    • 特点：根据进程的执行情况和优先级动态调整队列，适应不同类型的进程，平衡了公平性和响应时间。
    • Linux中的实现：Linux内核中的O(1)调度器使用了多级反馈队列调度算法。

这些调度算法在Linux内核中的实现会根据具体版本和配置可能有所不同，但基本原理和特点是相似的。通过选择合适的调度算法，Linux内核可以按照一定的策略合理地分配处理器资源，提高系统的整体性能和用户体验。

    • 调度器的实现和调度策略的配置

调度器的实现和调度策略的配置在Linux内核中是由内核代码负责的。下面是关于调度器实现和配置的一般步骤：

  1. 调度器实现：

    • 调度器实现通常是在内核代码中，由相关的调度算法实现，如时间片轮转、优先级调度等。
    • Linux内核中有不同的调度器实现，如CFS（完全公平调度器）、O(1)调度器等。具体的调度器实现可以根据内核版本和配置而有所不同。
    • 调度器实现通常包括进程队列的管理、进程状态的维护、时间片的分配等功能。

  2. 调度策略的配置：

    • 在Linux中，可以通过修改内核的调度策略参数来配置调度器的行为。
    • 调度策略参数可以通过sysctl接口进行配置，具体的路径是/proc/sys/kernel/sched_*。
    • 一些常见的调度策略参数包括：
      • sched_rr_timeslice：设置时间片的大小，单位为毫秒。
      • sched_rt_period_us和sched_rt_runtime_us：设置实时进程的周期和运行时间限制。
      • sched_migration_cost：设置进程迁移的开销。
      • sched_child_runs_first：设置子进程先运行的优先级。
      • 还有其他一些与调度器行为相关的参数，可以根据具体需求进行配置。

在配置调度策略时，需要考虑系统的特点、应用的特性和性能需求，选择合适的参数值和调度策略。不同的调度策略和参数的组合可以对系统的性能、公平性、响应时间等产生不同的影响，因此需要进行实际测试和评估来确定最佳的配置。

  1. 进程信息获取和管理：

    • 进程标识符（PID）的获取和使用

在Linux系统中，每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID），进程标识符用于标识和管理进程。以下是获取和使用进程标识符的方法：

1. 获取进程标识符：
? ?- 在C语言中，可以使用`getpid()`函数获取当前进程的PID。
? ?- 可以通过`fork()`函数创建子进程，在父进程中可以通过返回值获取子进程的PID。
? ?- 通过运行`ps`命令或`top`命令，可以查看当前系统中所有进程的PID。

2. 进程标识符的使用：
? ?- 进程标识符的主要作用是唯一标识每个进程，从而进行进程的管理和调度。
? ?- PID可以用于发送信号给特定的进程，使用`kill`命令或`kill()`系统调用来向进程发送信号。
? ?- 可以使用PID来获取进程的状态信息，如通过读取`/proc/[PID]/status`文件获取进程的状态、内存使用情况等。
? ?- 在系统命令行中，可以通过PID来查找和结束特定的进程，使用`kill`命令结合进程PID来终止进程。

需要注意的是，进程标识符是动态分配的，当一个进程终止时，它的PID可能会被重新分配给新的进程。因此，在处理进程标识符时，需要注意进程的生命周期和标识符的变化。

    • 进程的状态、优先级、资源使用情况等信息的获取

在Linux系统中，可以通过多种方法来获取进程的状态、优先级和资源使用情况等信息：

1. 进程状态信息：
? ?- 可以使用`ps`命令或`top`命令查看所有进程的状态信息。例如，`ps -ef`命令可以显示所有进程的详细信息，包括进程状态。
? ?- 通过读取`/proc/[PID]/status`文件，可以获取特定进程的状态信息。该文件包含了进程的很多信息，如进程状态（Running、Sleeping等）、进程ID、父进程ID、线程数等。

2. 进程优先级信息：
? ?- 使用`ps`命令或`top`命令可以查看进程的优先级信息。例如，`ps -eo pid,ni,cmd`命令可以显示进程的PID、优先级和命令。
? ?- 可以通过读取`/proc/[PID]/stat`文件获取特定进程的优先级信息。该文件的第 18 列即为进程的优先级。

3. 进程的资源使用情况：
? ?- 使用`ps`命令或`top`命令可以查看进程的资源使用情况，如CPU占用率、内存占用等。例如，`top`命令可以实时显示进程的资源使用情况。
? ?- 可以通过读取`/proc/[PID]/statm`文件获取特定进程的内存使用情况。该文件的第 1 列为进程使用的物理内存大小，以页面为单位。
? ?- 使用`ps`命令的`-o`参数可以选择要显示的信息列，如`ps -eo pid,cmd,%cpu,%mem`可以显示进程的PID、命令、CPU占用率和内存占用率。


这些方法可以从命令行或在程序中通过相应的系统调用进行获取。需要注意的是，有些信息可能需要有特定的权限才能访问。

    • 进程的信号处理和进程间通信（IPC）

在Linux系统中，可以通过多种方法来获取进程的状态、优先级和资源使用情况等信息：

  1. 进程状态信息：

    • 可以使用ps命令或top命令查看所有进程的状态信息。例如，ps -ef命令可以显示所有进程的详细信息，包括进程状态。
    • 通过读取/proc/[PID]/status文件，可以获取特定进程的状态信息。该文件包含了进程的很多信息，如进程状态（Running、Sleeping等）、进程ID、父进程ID、线程数等。

  2. 进程优先级信息：

    • 使用ps命令或top命令可以查看进程的优先级信息。例如，ps -eo pid,ni,cmd命令可以显示进程的PID、优先级和命令。
    • 可以通过读取/proc/[PID]/stat文件获取特定进程的优先级信息。该文件的第 18 列即为进程的优先级。

  3. 进程的资源使用情况：

    • 使用ps命令或top命令可以查看进程的资源使用情况，如CPU占用率、内存占用等。例如，top命令可以实时显示进程的资源使用情况。
    • 可以通过读取/proc/[PID]/statm文件获取特定进程的内存使用情况。该文件的第 1 列为进程使用的物理内存大小，以页面为单位。
    • 使用ps命令的-o参数可以选择要显示的信息列，如ps -eo pid,cmd,%cpu,%mem可以显示进程的PID、命令、CPU占用率和内存占用率。

这些方法可以从命令行或在程序中通过相应的系统调用进行获取。需要注意的是，有些信息可能需要有特定的权限才能访问。

  1. 进程间通信（IPC）的基本概念和机制：

    • 进程间通信的需求和分类

进程间通信（IPC）通常是为了满足以下需求之一：

  1. 数据共享：多个进程之间需要共享数据，以实现信息传递和共同处理。例如，一个进程生成数据，另一个进程处理这些数据。

  2. 同步和互斥：多个进程在执行某个任务时需要进行同步，即协调彼此的行为。同时，也需要互斥访问共享的资源，以避免竞争条件。例如，多个进程需要在特定条件下按照某个顺序执行或者避免同时访问共享资源。

  3. 远程过程调用（RPC）：不同计算机上的进程需要调用彼此提供的服务。例如，一个客户端进程需要向一个远程服务器进程发起请求，获取服务的结果。

根据实现方式和特点，进程间通信可以被分为几个分类：

  1. 基于共享内存的IPC：多个进程可以访问同一块内存区域，从而实现数据共享。共享内存的访问速度快，但需要自行解决同步和互斥问题。

  2. 基于消息传递的IPC：进程通过发送和接收消息来进行通信。消息可以是固定大小的数据块，也可以是复杂的数据结构。消息传递可以基于共享内存、管道或套接字实现。

  3. 基于管道（Pipe）的IPC：管道是一种单向通信机制，可以在具有亲缘关系的进程之间进行通信。父进程可以使用fork()创建子进程，并使用pipe()函数创建管道。

  4. 基于信号量的IPC：信号量用于实现进程之间的同步和互斥。它可以用来解决进程之间的竞争条件和临界区问题。

  5. 基于套接字（Socket）的IPC：套接字提供了一种网络通信的方法，可以在不同计算机上的进程之间进行通信。套接字通信可以是面向连接的（如TCP）或无连接的（如UDP）。

  6. 基于消息队列的IPC：消息队列提供了一个消息的链表，允许不同进程之间的异步通信。进程可以将消息发送到队列，然后其他进程可以从队列中接收消息。

每种IPC机制都有其适用的场景和特性，选择合适的IPC机制取决于具体需求和设计。

    • Linux内核中常用的IPC机制，如管道、信号量、共享内存、消息队列等的原理和使用方法

  1. 管道（Pipe）： 管道是一种单向通信机制，可以在具有亲缘关系的进程之间进行通信。在Linux内核中，管道由一个文件描述符对应的缓冲区实现。管道一般分为两种类型：有名管道和无名管道。

  • 无名管道：无名管道只存在于具有亲缘关系的进程之间，通常通过调用pipe()系统调用创建。无名管道是一种半双工的通信方式，只能在一个方向上传输数据。进程可以通过文件描述符进行读取和写入操作。

  • 有名管道：有名管道可以用于没有亲缘关系的进程之间的通信。有名管道通过在文件系统中创建一个特殊的文件，进程可以通过打开并读写该文件进行通信。

  1. 信号量（Semaphore）： 信号量是一种用于进程间同步和互斥的机制。在Linux内核中，信号量由一个整数值和一个相关的计数器组成。通过对信号量的操作（P和V操作），进程可以获取和释放信号量来实现同步和互斥。

  • P操作（wait）：当进程需要访问一个共享资源时，它会尝试对信号量进行减操作。如果信号量的值大于0，则减操作成功，进程可以继续访问资源。如果信号量的值为0，则减操作阻塞进程，直到信号量的值变为非0。

  • V操作（signal）：当进程完成对共享资源的访问时，它会对信号量进行加操作，增加信号量的值。如果有阻塞的进程正在等待信号量的值变为非0，那么其中一个（FIFO顺序）阻塞的进程将被唤醒继续执行。

  1. 共享内存（Shared Memory）： 共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，从而实现数据的共享。在Linux内核中，共享内存通过调用shmget()系统调用来创建共享内存区域，并使用shmat()系统调用将共享内存映射到进程的虚拟地址空间中。

共享内存的访问速度快，因为进程可以直接访问内存区域。然而，共享内存的使用需要额外的同步机制，如信号量，来确保进程之间的访问是同步和互斥的。

  1. 消息队列（Message Queue）： 消息队列提供了异步的进程间通信方式。在Linux内核中，消息队列由一个消息队列标识符和一个消息队列数据结构组成。进程可以通过调用msgget()系统调用创建消息队列，并使用msgsnd()和msgrcv()系统调用来发送和接收消息。

消息队列的特点是可以实现不同类型的消息传递，可以在消息中传递复杂的数据结构，并可以按照优先级处理消息。

每种IPC机制都有相应的系统调用和库函数可以使用。具体的使用方法可以参考Linux的相关文档和手册。

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_70007095/article/details/135432369
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