Linux系统笔记（四）进程管理（2）

奥兰治的威廉
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四、内核栈

在程序执行过程中，一旦调用到系统调用，就需要进入内核继续执行。那如何将用户态的执行和内核态的执行串起来呢？这就需要以下两个重要的成员变量：

struct thread_info  thread_info;
void  *stack;

用户态函数栈

在用户态中，程序的执行往往是一个函数调用另一个函数。函数调用都是通过栈来进行的。函数调用其实也很简单。如果你去看汇编语言的代码，其实就是指令跳转，从代码的一个地方跳到另外一个地方。这里比较棘手的问题是，参数和返回地址应该怎么传递过去呢？

我们看函数的调用过程，A 调用 B、调用 C、调用 D，然后返回 C、返回 B、返回 A，这是一个后进先出的过程。有没有觉得这个过程很熟悉？没错，咱们数据结构里学的栈，也是后进先出的，所以用栈保存这些最合适。

在进程的内存空间里面，栈是一个从高地址到低地址，往下增长的结构，也就是上面是栈底，下面是栈顶，入栈和出栈的操作都是从下面的栈顶开始的。

内核态函数栈

接下来，我们通过系统调用，从进程的内存空间到内核中了。内核中也有各种各样的函数调用来调用去的，也需要这样一个机制，这该怎么办呢？这时候，上面的成员变量 stack，也就是内核栈，Linux 给每个 task 都分配了内核栈。在 32 位系统上arch/x86/include/asm/page_32_types.h，是这样定义的：一个 PAGE_SIZE 是 4K，左移一位就是乘以 2，也就是 8K。

内核栈在 64 位系统上 arch/x86/include/asm/page_64_types.h，是这样定义的：在PAGE_SIZE 的基础上左移两位，也即 16K，并且要求起始地址必须是 8192 的整数倍。

内核栈是一个非常特殊的结构，如下图所示： 这段空间的最低位置，是一个 thread_info 结构。这个结构是对 task_struct 结构的补充。因为 task_struct 结构庞大但是通用，不同的体系结构就需要保存不同的东西，所以往往与体系结构有关的，都放在 thread_info 里面。

五、调度

task_struct 数据结构。它就像项目管理系统一样，可以帮项目经理维护项目运行过程中的各类信息，但这并不意味着项目管理工作就完事大吉了。task_struct仅仅能够解决“看到”的问题，咱们还要解决如何制定流程，进行项目调度的问题，也就是“做到”的问题。

调度策略与调度类

在 Linux 里面，进程大概可以分成两种。

  1. 实时进程，也就是需要尽快执行返回结果的那种。这种进程的优先级就会比较高。
  2. 普通进程，大部分的进程其实都是这种。可以按照正常流程完成，优先级就没实时进程这么高。

那很显然，对于这两种进程，我们的调度策略肯定是不同的。在 task_struct 中，有一个成员变量，我们叫调度策略。

unsigned int policy;

它有以下几个定义：

#define SCHED_NORMAL 0
#define SCHED_FIFO 1
#define SCHED_RR 2
#define SCHED_BATCH 3
#define SCHED_IDLE 5
#define SCHED_DEADLINE 6

配合调度策略的，还有我们刚才说的优先级，也在 task_struct 中。

int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;

优先级其实就是一个数值，对于实时进程，优先级的范围是 0～99；对于普通进程，优先级的范围是 100～139。数值越小，优先级越高。 从这里可以看出，所有的实时进程都比普通进程优先级要高。

实时调度策略

对于调度策略，其中 SCHED_FIFO、SCHED_RR、SCHED_DEADLINE 是实时进程的调度策略。

  1. SCHED_FIFO 就是交了相同钱的，先来先服务，但是有的加钱多，可以分配更高的优先级，也就是说，高优先级的进程可以抢占低优先级的进程，而相同优先级的进程，我们遵循先来先得。
  2. 另外一种策略是，交了相同钱的，轮换着来，这就是SCHED_RR 轮流调度算法，采用时间片，相同优先级的任务当用完时间片会被放到队列尾部，以保证公平性，而高优先级的任务也是可以抢占低优先级的任务。
  3. 还有一种新的策略是SCHED_DEADLINE，是按照任务的 deadline 进行调度的。当产生一个调度点的时候，DL 调度器总是选择其 deadline 距离当前时间点最近的那个任务，并调度它执行。

普通调度策略

对于普通进程的调度策略有，SCHED_NORMAL、SCHED_BATCH、SCHED_IDLE。

  1. SCHED_NORMAL 是普通的进程，就相当于咱们公司接的普通项目。
  2. SCHED_BATCH 是后台进程，几乎不需要和前端进行交互。这有点像公司在接项目同时，开发一些可以复用的模块，作为公司的技术积累，从而使得在之后接新项目的时候，能够减少工作量。这类项目可以默默执行，不要影响需要交互的进程，可以降低他的优先级。
  3. SCHED_IDLE 是特别空闲的时候才跑的进程，相当于咱们学习训练类的项目，比如咱们公司很长时间没有接到外在项目了，可以弄几个这样的项目练练手

上面无论是 policy 还是 priority，都设置了一个变量，变量仅仅表示了应该这样这样干，但事情总要有人去干，谁呢？在 task_struct 里面，还有这样的成员变量：

const struct sched_class *sched_class;

sched_class 有几种实现：

  1. stop_sched_class 优先级最高的任务会使用这种策略，会中断所有其他线程，且不会被其他任务打断；
  2. dl_sched_class 就对应上面的 deadline 调度策略；
  3. rt_sched_class 就对应 RR 算法或者 FIFO 算法的调度策略，具体调度策略由进程的task_struct->policy 指定；
  4. fair_sched_class 就是普通进程的调度策略；
  5. idle_sched_class 就是空闲进程的调度策略。

这里实时进程的调度策略 RR 和 FIFO 相对简单一些，而且由于咱们平时常遇到的都是普通进程，在这里，咱们就重点分析普通进程的调度问题。普通进程使用的调度策略是fair_sched_class，顾名思义，对于普通进程来讲，公平是最重要的。

一个 CPU 上有一个队列，CFS 的队列是一棵红黑树，树的每一个节点都是一个 sched_entity，每个 sched_entity 都属于一个 task_struct，task_struct 里面有指针指向这个进程属于哪个调度类。在调度的时候，依次调用调度类的函数，从 CPU 的队列中取出下一个进程。

主动调度

例如指令 sleep 等。

抢占式调度

一个进程执行时间太长了，是时候切换到另一个进程了。

进程上下文切换

上下文切换主要干两件事情，一是切换进程空间，也即虚拟内存；二是切换寄存器和 CPU上下文。

六、进程的创建

fork 是一个系统调用，根据咱们讲过的系统调用的流程，流程的最后会在 sys_call_table中找到相应的系统调用 sys_fork。

fork 的第一件大事：复制结构

fork 做的第一件大事就是 copy_process，咱们前面讲过这个思想。如果所有数据结构都从头创建一份太麻烦了，还不如使用惯用“伎俩”，Ctrl C + Ctrl V。

fork 的第二件大事：唤醒新进程



fork 包含两个重要的事件，一个是将task_struct 结构复制一份并且初始化，另一个是试图唤醒新创建的子进程。

七、线程的创建

创建一个线程调用的是pthread_create。

用户态创建线程

线程不是一个完全由内核实现的机制，它是由内核态和用户态合作完成的。



创建进程的话，调用的系统调用是 fork，在 copy_process 函数里面，会将五大结构files_struct、fs_struct、sighand_struct、signal_struct、mm_struct 都复制一遍，从此父进程和子进程各用各的数据结构。而创建线程的话，调用的是系统调用 clone，在copy_process 函数里面， 五大结构仅仅是引用计数加一，也即线程共享进程的数据结构。

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