1.前言

本文的內容是基於Linux 2.6的源碼，深入分析進程模型。

• 什麽是進程
• 操作系統是怎麽組織進程的
• 進程狀態如何轉換
• 進程是如何調度的
• 談談自己對該操作系統進程模型的看法

2.什麽是進程

進程是處於執行期的程序以及它所包含的所有資源的總稱，包括虛擬處理器，虛擬空間，寄存器，堆棧，全局數據段等。

Windows10進程如圖所示

3.操作系統是如何組織進程的

一、描述進程——PCB

進程信息被放在一個叫做進程控制塊的結構中，可以理解為進程屬性的集合，稱之為：PCB，在Linux下，PCB是一個叫做task_struct的結構體，這個結構體裏面存放了進程的有關信息。

task_struct結構體的內容分類：

①標識符（PID）：描述本進程的唯一的標識符，用來區別其他進程

獲取pid的方法有很多，最推薦的一種就是通過系統調用getpid()來獲取進程的pid，

②狀態：任務狀態，退出碼，退出信號等

狀態分類：R運行狀態（runing） S睡眠狀態（sleeping） D磁盤休眠狀態（Disk sleeping） T停止狀態（stopped） X死亡狀態（dead） Z僵屍狀態（zombie）

③優先級：相對於其他進程的優先級

PRI：進程可執行的優先級，值越小優先級越高

NI:代表nice值，表示進程可被執行的優先級的修正數值

④程序計數器：程序中即將被執行的下一條指令的地址

⑤內存指針：包括程序代碼和進程相關數據的指針，還有和其他進程共享的內存塊的指針

⑥上下文數據：進程執行時處理器的寄存器中的數據

⑦I/O狀態信息：包括顯示的I/O請求，分配給進程的I/O設備和被進程使用的文件列表

⑧記賬信息：可能包括處理器的時間總和，使用的時鐘數總和，時間限制，記賬號等

⑨其他信息

二、組織進程

因為進程需要不斷的關閉和開啟，和數據結構中鏈表的結構很相似，所以運行在系統的進程都以task_struct鏈表的形式存在內核裏面，此時我們就把進程組織起來了。

三、查看進程

現在進程已經被描述和組織起來，那麽有些方法可以讓我們查看進程呢？

①進程信息可以被 /proc 文件查看； 比如：要查看PID（進程的標識符）為1的進程，就需要查看 /proc/1 這個文件夾

②通過系統調用獲取進程標識符：

#include<stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<unistd.h>  
int main(){  
      printf("pid:%d\n",getpid());  
      printf("ppid:%d\n",getppid());  
      return 0;  
 }  

getppid()函數是獲取父進程的標識符，getpid()函數是獲取子進程的標識符

四、創建進程

通過系統調用創建進程，也就是使用fork()函數

#include<stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<unistd.h>  
int main(){  
       pid_t ret = fork();  
     printf("hello proc:%d,ret = %d\n",getpid(),ret);  
       return 0;  
  }  

五、進程的狀態：

R運行狀態（running）：表明進程要麽在運行中，要麽在運行隊列裏面

S睡眠狀態（sleeping）：意味著進程在等待事件的完成，這個睡眠也叫做可中斷睡眠

D磁盤休眠狀態（Disk sleep）：這個狀態的睡眠通常在等待I/O的結束，也叫做不可中斷睡眠

T停止狀態（stopped）：可以發送SIGSTOP信號給進程，讓進程停止。也可以發送SIGCONT信號讓進程繼續運行。

X死亡狀態（dead）：這個狀態只是一個返回狀態，你不會在任務列表裏面看到這個狀態

Z僵屍狀態（zombie）：子進程退出，父進程沒有讀取子進程的退出碼，子進程進入Z狀態

僵屍進程：

#include<stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<unistd.h>  
#include<stdlib.h>  
int main(){  
      pid_t id = fork();  
      if(id<0){  
          perror("fork failed!\n");  
          return 1;  
      }  
      else if (id>0){//這個循環裏面，我們讓父進程sleep30s  
          printf("father pid:%d\n",getpid());  
          sleep(30);  
      }  
      else {//這個循環裏面，我們讓子進程sleep5s，之後退出  
          printf("child pid:%d\n",getpid());  
          sleep(5);  
          exit(EXIT_SUCCESS);  
      }  
      return 0;  
}  

僵屍進程的危害：

①因為進程的狀態必須被維護，退出狀態也屬於進程的基本信息，所以就保存在PCB中，在Z狀態中，子進程不退出，PCB就要一直被維護

②子進程進入僵屍狀態之後會一直占用內存，造成內存的資源浪費

③內存的泄漏

4.進程狀態如何轉換

1. Linux進程狀態有：

TASK_RUNNING : 就緒態或者運行態，進程就緒可以運行，但是不一定正在占有CPU，對應進程狀態的R

TASK_INTERRUPTIBLE:睡眠態，但是進程處於淺度睡眠，可以響應信號，一般是進程主動sleep進入的狀態，對應進程狀態S

TASK_UNINTERRUPTIBLE:睡眠態，深度睡眠，不響應信號，典型場景是進程獲取信號量阻塞，對應進程狀態D

TASK_ZOMBIE:僵屍態，進程已退出或者結束，但是父進程還不知道，沒有回收時的狀態，對應進程狀態Z

TASK_STOPED:停止，調試狀態，對應進程狀態T

2. 進程調度時機：

進程調度會引起進程狀態轉換，由上圖可知如下情況會觸發調度，進程終止或進程睡眠時主動exit或sleep釋放CPU；淺度睡眠的進程被CFS調度選中喚醒，深度睡眠進程由於信號量，鎖等的釋放而被喚醒；進程收到信號量等；還有一種最常見的中斷，異常。

5.進程是如何調度的

Linux進程調度的目標

　　　　1.高效性：高效意味著在相同的時間下要完成更多的任務。調度程序會被頻繁的執行，所以調度程序要盡可能的高效；

　　　　2.加強交互性能:在系統相當的負載下，也要保證系統的響應時間；

　　　　3.保證公平和避免饑渴；

　　　　4.SMP調度：調度程序必須支持多處理系統；

　　　　5.軟實時調度：系統必須有效的調用實時進程，但不保證一定滿足其要求；

Linux進程優先級

進程提供了兩種優先級，一種是普通的進程優先級，第二個是實時優先級。前者適用SCHED_NORMAL調度策略，後者可選SCHED_FIFO或SCHED_RR調度策略。任何時候，實時進程的優先級都高於普通進程，實時進程只會被更高級的實時進程搶占，同級實時進程之間是按照FIFO（一次機會做完）或者RR（多次輪轉）規則調度的。

實時進程的調度

　　實時進程，只有靜態優先級，因為內核不會再根據休眠等因素對其靜態優先級做調整，其範圍在0~MAX_RT_PRIO-1間。默認MAX_RT_PRIO配置為100，也即，默認的實時優先級範圍是0~99。而nice值，影響的是優先級在MAX_RT_PRIO~MAX_RT_PRIO+40範圍內的進程。

　　不同與普通進程，系統調度時，實時優先級高的進程總是先於優先級低的進程執行。知道實時優先級高的實時進程無法執行。實時進程總是被認為處於活動狀態。如果有數個 優先級相同的實時進程，那麽系統就會按照進程出現在隊列上的順序選擇進程。假設當前CPU運行的實時進程A的優先級為a，而此時有個優先級為b的實時進程B進入可運行狀態，那麽只要b<a，系統將中斷A的執行，而優先執行B，直到B無法執行（無論A，B為何種實時進程）。

　　不同調度策略的實時進程只有在相同優先級時才有可比性：

　　1. 對於FIFO的進程，意味著只有當前進程執行完畢才會輪到其他進程執行。由此可見相當霸道。

　　2. 對於RR的進程。一旦時間片消耗完畢，則會將該進程置於隊列的末尾，然後運行其他相同優先級的進程，如果沒有其他相同優先級的進程，則該進程會繼續執行。

　　，對於實時進程，高優先級的進程就是大爺。它執行到沒法執行了，才輪到低優先級的進程執行。等級制度相當森嚴啊。

非實時進程調度

Linux對普通的進程，根據動態優先級進行調度。而動態優先級是由靜態優先級（static_prio）調整而來。Linux下，靜態優先級是用戶不可見的，隱藏在內核中。而內核提供給用戶一個可以影響靜態優先級的接口，那就是nice值，兩者關系如下：

　　static_prio=MAX_RT_PRIO +nice+ 20

　　nice值的範圍是-20~19，因而靜態優先級範圍在100~139之間。nice數值越大就使得static_prio越大，最終進程優先級就越低。

　　ps -el 命令執行結果：NI列顯示的每個進程的nice值，PRI是進程的優先級（如果是實時進程就是靜態優先級，如果是非實時進程，就是動態優先級）　　

　　而進程的時間片就是完全依賴 static_prio 定制的，見下圖，摘自《深入理解linux內核》，

　　我們前面也說了，系統調度時，還會考慮其他因素，因而會計算出一個叫進程動態優先級的東西，根據此來實施調度。因為，不僅要考慮靜態優先級，也要考慮進程的屬性。例如如果進程屬於交互式進程，那麽可以適當的調高它的優先級，使得界面反應地更加迅速，從而使用戶得到更好的體驗。Linux2.6 在這方面有了較大的提高。Linux2.6認為，交互式進程可以從平均睡眠時間這樣一個measurement進行判斷。進程過去的睡眠時間越多，則越有可能屬於交互式進程。則系統調度時，會給該進程更多的獎勵（bonus），以便該進程有更多的機會能夠執行。獎勵（bonus）從0到10不等。

　　系統會嚴格按照動態優先級高低的順序安排進程執行。動態優先級高的進程進入非運行狀態，或者時間片消耗完畢才會輪到動態優先級較低的進程執行。動態優先級的計算主要考慮兩個因素：靜態優先級，進程的平均睡眠時間也即bonus。計算公式如下，

dynamic_prio = max (100, min (static_prio - bonus + 5, 139))

　　在調度時，Linux2.6 使用了一個小小的trick，就是算法中經典的空間換時間的思想，使得計算最優進程能夠在O(1)的時間內完成。

Linux進程狀態機

6.談談自己對操作系統進程模型的看法

進程是操作系統提供的最古老的也是最重要的抽象概念之一，它們將一個單獨的CPU變換成多個虛擬CPU。沒有進程的抽象，現代計算將不復存在。所以進程非常的重要 ，所以要好好地學習進程，以更進一步的學習操作系統的後面的知識。

第一次作業：基於Linux 2.6 的源碼 分析進程模型