openEuler 笔记：进程1：程序的加载运行、进程的描述（ PCB、进程状态）类 UNIX 的二进制程序一般为 E

本系列学习笔记基本上是博主的《 openEuler 操作系统》读书笔记，中间插入一些自己查的资料以及翻到的感觉有用的源代码

默认架构为 ARM

程序及其加载执行

类 UNIX 的二进制程序一般为 ELF 格式，一个【逻辑意义上作为整体的程序】会被按照内容类型划分为数个 Segment 进行存储。主要的 Segment 有：.text ，存机器指令序列；.data 存可变的全局变量及静态局部变量；.rodata 存只读数据、常量；.bss 存未初始化的全局变量。

加载，是操作系统将 ELF 读入内存的过程。首先检查 ELF 头，确定是否可以运行。然后读端头表，得到各个段的信息，为需要装入内存的段分配空间，然后把这些段加载到内存中。

执行。程序入口地址存在 ELF 头中，OS 读到该地址后到 .text 找到入口，将入口地址赋给 PC ，程序获得 CPU 控制权。

运行过程中，PC 保存即将执行的指令地址，LR（链接寄存器）保存函数调用返回后的下一条指令地址。

每个运行中的函数都拥有一个栈帧，其为函数的每次调用构建独立的上下文。当函数调用新的函数时，新的函数会被分配新的栈帧。函数运行结束后栈帧会被弹出，系统从下面的栈帧（即发起对刚刚结束的函数调用的函数的栈帧）中取出之前保存的 FP、LR 值，继续运行

进程的描述

操作系统使用 PCB （Process Control Block，进程控制块）对进程进行描述，操作系统通过 PCB 感知进程。

PCB

PCB 定义在 include/linux/sched.h 的 struct task_struct，是一个六百二十多行的结构体。

启动一个程序时，操作系统先创建 PCB ，然后根据其中的信息对进程进行管理和控制，程序运行后系统释放 PCB 。其中的主要信息包含描述信息、控制信息、 CPU 上下文、资源管理信息

描述信息

进程标识符，OS 用它来标记每个进程；

用户标识号，区分某个进程属于哪个用户

    kuid_t			loginuid;
    unsigned int		sessionid;

家族关系，表明该进程与其父进程、祖先进程、子进程、兄弟进程等的关系

    /*
     * Pointers to the (original) parent process, youngest child, younger sibling,
     * older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with
     * p->real_parent->pid)
     */

    /* Real parent process: */
    struct task_struct __rcu	*real_parent;

    /* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */
    struct task_struct __rcu	*parent;

    /*
     * Children/sibling form the list of natural children:
     */
    struct list_head		children;
    struct list_head		sibling;
    struct task_struct		*group_leader;

real_parent 是创建该进程的进程，而 parent 是响应信号相关的父进程——比如 SIGCHLD 就会被发送给 parent。这么设计是因为：有些情况下真父进程可能先终止，这样如 init 这样的其他进程就会成为新的父进程，但不会改变真父进程的值。

控制信息

进程状态（就绪、阻塞、运行、终止）

    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

    /* 相关宏定义如下 */

    /* Used in tsk->state: */
    #define TASK_RUNNING		0x0000
    #define TASK_INTERRUPTIBLE		0x0001
    #define TASK_UNINTERRUPTIBLE	0x0002
    #define __TASK_STOPPED		0x0004
    #define __TASK_TRACED		0x0008
    #define TASK_PARKED			0x0040
    #define TASK_DEAD			0x0080
    #define TASK_WAKEKILL		0x0100
    #define TASK_WAKING			0x0200
    #define TASK_NOLOAD			0x0400
    #define TASK_NEW			0x0800
    #define TASK_STATE_MAX		0x1000

进程优先级
```
    int				prio;
    int				static_prio;
    int				normal_prio;
    unsigned int		rt_priority;
```
- 静态优先级：进程启动时指定，值越小越高。一般不用，但可用系统调用 nice() 修改；
- 动态优先级：可以因调度策略的改变而临时变动；
- 实时：有限程度仅与实时优先级有关，值越小越高。实时进程调度总优于普通进程

记账信息：记录进程占有、利用资源的情况，调度以这些信息为依据进行（如剥夺等），如时间方面、上下文切换方面的：

        u64				utime;
        u64				stime;
    #ifdef CONFIG_ARCH_HAS_SCALED_CPUTIME
        u64				utimescaled;
        u64				stimescaled;
    #endif
        u64				gtime;
        struct prev_cputime		prev_cputime;
    #ifdef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_GEN
        struct vtime			vtime;
    #endif

    #ifdef CONFIG_NO_HZ_FULL
        atomic_t			tick_dep_mask;
    #endif
        /* Context switch counts: */
        unsigned long			nvcsw;
        unsigned long			nivcsw;

        /* Monotonic time in nsecs: */
        u64				start_time;

        /* Boot based time in nsecs: */
        u64				real_start_time;

CPU 上下文

CPU 上下文指某时刻 CPU 各寄存器中的值，用于进程切换时保存状态。其保存于 task_struct->thread_struct->cpu_context

从下面的代码中可以看到，cpu_context 就是各个寄存器中的值的集合

/* arch/arm64/include/asm/processor.h */
struct cpu_context {
	unsigned long x19;
	unsigned long x20;
	unsigned long x21;
	unsigned long x22;
	unsigned long x23;
	unsigned long x24;
	unsigned long x25;
	unsigned long x26;
	unsigned long x27;
	unsigned long x28;
	unsigned long fp;
	unsigned long sp;
	unsigned long pc;
};

struct thread_struct {
	struct cpu_context	cpu_context;	/* cpu context */
	/* 省略其他变量，thread_struct 结构体中包含所有与 CPU 相关的状态信息 */
};

资源管理信息

这部分信息在 PCB 中占比最大，包含存储器、文件系统、使用 IO 设备的信息等，主要与内存和文件相关。

    void *stack;	// 指向进程内核栈，内核栈是进程在内核态用的栈，在内核空间

	// 进程的用户空间描述符
    struct mm_struct		*mm;
    struct mm_struct		*active_mm;

	/* Filesystem information: */
	struct fs_struct		*fs;	// 与进程相关的文件系统

	/* Open file information: */
	struct files_struct		*files;	// 进程正打开的文件列表

	// 内存描述符，定义在 include/linux/mm_types.h
	struct mm_struct {
		spinlock_t arg_lock; /* protect the below fields,自旋锁 */
        // 描述内存中各个段的起始位置，包括栈、映射段、堆、BSS段、数据段、代码段
		unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
		unsigned long start_brk, brk, start_stack;
		unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
        //......
    };

	// 进程关联的文件系统信息，include/linux/fs_struct.h
    struct fs_struct {
        int users;				// 该结构的引用用户数
        spinlock_t lock;
        seqcount_t seq;
        int umask;
        int in_exec;
        struct path root, pwd;	// 根与当前目录
    } __randomize_layout;

	/* include/linux/fdtable.h
     * Open file table structure
     */
    struct files_struct {
      /*
       * read mostly part
       */
        atomic_t count;			    // 引用计数
        struct fdtable __rcu *fdt;	// 默认指向 fdt，可用于动态申请内存
        struct fdtable fdtab;		// 为 fdt 提供初始值
        // fdt、fdtable 是管理文件描述符用的
        // ...
    };

	// path. include/linux/path
    struct path {
        struct vfsmount *mnt;
        struct dentry *dentry;
    } __randomize_layout;

	struct fdtable {
        unsigned int max_fds;
        struct file __rcu **fd;      /* current fd array */
        unsigned long *close_on_exec;
        unsigned long *open_fds;
        unsigned long *full_fds_bits;
        struct rcu_head rcu;
    };

进程的状态

进程当前状态由 PCB 中的状态值描述。这里的状态就是运行、就绪、阻塞、终止（僵尸、死亡）

    /* Used in tsk->state: */
    #define TASK_RUNNING		0x0000
    #define TASK_INTERRUPTIBLE		0x0001
    #define TASK_UNINTERRUPTIBLE	0x0002
    #define __TASK_STOPPED		0x0004
    #define __TASK_TRACED		0x0008
    /* Used in tsk->exit_state: */
    #define EXIT_DEAD			0x0010
    #define EXIT_ZOMBIE			0x0020
    #define EXIT_TRACE			(EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
    /* Used in tsk->state again: */
    #define TASK_PARKED			0x0040
    #define TASK_DEAD			0x0080
    #define TASK_WAKEKILL		0x0100
    #define TASK_WAKING			0x0200
    #define TASK_NOLOAD			0x0400
    #define TASK_NEW			0x0800
    #define TASK_STATE_MAX		0x1000

就绪：进程位于运行队列中，已获得 CPU 外的所有资源，等待 OS 选中占用 CPU
运行：当前进程主动放弃或被抢占，则转为就绪；当前进程等待资源或事件时，转为阻塞；运行结束，进入终止状态（僵尸/等待）
阻塞：通常是等待外部事件（如 I/O ），需要等来了才就绪。但可被系统调用、信号等唤醒（阻塞分轻度中度深度，不同的程度需要的条件不同）
终止：
- 僵尸：父进程未回收进程及其占用的资源（包括 PCB ）。若父进程先结束，init 会成为子进程的 parent ，待结束后回收资源
- 死亡：结束后由父进程回收资源

openEuler 笔记：进程1：程序的加载运行、进程的描述（ PCB、进程状态 ）