1.前言

本文主要基於Linux 2.6源代碼分析進程模型。源代碼下載地址：https://elixir.bootlin.com/linux/v2.6.39/source

2.進程

定義：進程是計算機中的程序關於某數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的基本單位，是操作系統結構的基礎。

3.Linux系統進程的組織

進程是由進程控制塊（PCB）、程序段、數據段三部分組成。

3.1 進程控制塊

進程控制塊（Processing Control Block），是操作系統核心中一種數據結構，主要表示進程狀態，是系統為了管理進程設置的一個專門的數據結構。在Linux中，這個結構叫做task_struct。task_struct被定義在/include/linux/sched.h中。

源代碼地址

PCB包含信息：

• 進程標識符：每個進程都必須有一個唯一的標識符

  pid_t pid; //進程的唯一標識
  pid_t tgid; //線程組的領頭線程的pid成員的值

• 進程狀態

  volatile long state;

• 進程優先級

  int prio, static_prio, normal_prio;
  unsigned int rt_priority;

  prio表示進程的動態優先級，static_prio表示進程的靜態優先級，normal_prio表示基於進程的靜態優先級和調度策略計算出的優先級，rt_priority表示實時進程的優先級。

• CPU現場保護區
• 進程相應的程序和數據地址
• 進程資源清單
• 信號處理信息
• 文件系統的信息
• 與進程有關的其他信息

3.2 程序段

程序段：被CPU執行的程序代碼

3.3 數據段

數據段：進程對應的程序中原來的數據或程序執行後產生的結果。

4.Linux系統中進程的狀態及轉換

4.1 進程的狀態

• 進程的三種基本狀態：

運行態（該時刻進程實際占用CPU）

就緒態（可運行，但因為其他進程正在運行而暫時停止）

阻塞態（除非某種外部事件發生，否則進程不能運行）

• 在Linux系統中，進程的狀態有以下幾種，定義在/include/linux/sched.h中。

源代碼地址：https://elixir.bootlin.com/linux/v2.6.37/source/include/linux/sched.h#L182

#define TASK_RUNNING        0      //可執行狀態
#define TASK_INTERRUPTIBLE    1    //可中斷的睡眠狀態
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2  //不可中斷的睡眠狀態
#define __TASK_STOPPED        4    //暫停狀態
#define __TASK_TRACED        8     //跟蹤狀態
/* in tsk->exit_state */
//終止狀態
#define EXIT_ZOMBIE        16
#define EXIT_DEAD        32

TASK_RUNNING是就緒態，進程當前只等待CPU資源。
TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE都是阻塞態，進程當前正在等待除CPU外的其他系統資源；前者可以被信號喚醒，後者不可以。
ZOMBIE是僵屍進程，進程已經結束運行，但是進程控制塊尚未註銷。
TASK_STOPPED是掛起狀態，主要用於調試目的。進程接收到SIGSTOP信號後會進入該狀態，在接收到SIGCONT後又會恢復運行。

4.2 進程的創建

在Linux中主要提供了fork()、vfork()、clone()三個進程創建方法。

在Linux系統中可以使用fork()來創建一個進程，fork()函數用於從已存在的進程中創建一個新的進程。新進程為子進程，原進程為父進程。使用fork()函數得到的子進程時父進程的一個復制品，它從父進程處繼承了整個進程的地址空間，包括進程上下文，代碼段，進程堆棧，內存信息，文件描述符，信號控制設定，進程優先級，進程組號，當前工作目錄，根目錄，資源限制和控制終端等，而子進程所獨有的只有它的進程號，資源使用和計時器等子進程幾乎是父進程的完全復制，所以父子進程會同時運行一個程序。vfork()函數則只復制task_struct和內核堆棧。

4.3 狀態的轉換

進程狀態轉換圖如下圖所示：

1.進程因為等待輸入而被阻塞

2.調度程序選擇另一個進程

3.調度程序選擇這個進程

4.出現有效輸入

5.進程結束

4.4進程的終止

• 正常退出
• 出錯退出
• 嚴重錯誤
• 被其他進程殺死

5.進程的調度

當計算機系統是多道程序設計系統時，通常就會有多個進程通時競爭CPU。只要有兩個或更多的進程處於就緒狀態，這種情形就會發生。如果只有一個CPU可用，那麽就必須選擇下一個要運行的進程。完成選擇工作的部分稱為調度，使用的算法稱為調度算法。

5.1 何時調度

有關調度的一個關鍵問題是何時進行調度決策。

• 在創建一個新進程之後，需要決定是運行父進程還是運行子進程。這兩種進程都處於就緒狀態，可以任意決定。
• 在一個進程退出時必須做出調度決策。從就緒進程中選擇某個進程，如果沒有就緒的進程，通常會運行一個系統提供的空閑進程。
• 當一個進程阻塞在I/O和信號量上或由於其他原因阻塞時，必須選擇另一個進程運行。
• 在一個I/O中斷發生時，必須做出調度決策。

5.2 如何調度

schedule（）：進程調度函數，由它來完成進程的調度。該函數的主要流程如下：先關閉內核搶占，找到當前CPU上的就緒隊列，檢查prev的狀態，如果是非運行狀態的，且在內核中沒有被搶占，從隊列rq中刪除。但如果prev有掛起信號，設置其狀態為TASK_RUNNING狀態，保留在隊列rq中。然後挑選優先級高的下一個進程，並且通知調度器即將進行切換，更新隊列中保存的進程信息，最後通知調度類，完成進程切換。

源代碼地址：https://elixir.bootlin.com/linux/v2.6.39/source/kernel/sched.c

asmlinkage void __sched schedule(void)
{
    struct task_struct *prev, *next;  //當前進程、下一個進程的結構體
    unsigned long *switch_count;      //進程切換次數
    struct rq *rq;                    //就緒隊列
    int cpu;

need_resched:
    preempt_disable();               //關閉內核搶占
    cpu = smp_processor_id();        //找到當前CPU上的就緒隊列rq
    rq = cpu_rq(cpu);                
    rcu_note_context_switch(cpu);
    prev = rq->curr;                 //將正在運行的進程保存在prev

    schedule_debug(prev);

    if (sched_feat(HRTICK))
        hrtick_clear(rq);

    raw_spin_lock_irq(&rq->lock);

    switch_count = &prev->nivcsw;   //切換次數記錄
    if (prev->state && !(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) { //當前進程非運行狀態，並且非內核搶占
       
        if (unlikely(signal_pending_state(prev->state, prev))) { //若不是非掛起信號，設置進程為就緒狀態
            prev->state = TASK_RUNNING;
        } else { //若為非掛起信號，則將其從隊列中移出
            /*
             * If a worker is going to sleep, notify and
             * ask workqueue whether it wants to wake up a
             * task to maintain concurrency.  If so, wake
             * up the task.
             */
            if (prev->flags & PF_WQ_WORKER) {
                struct task_struct *to_wakeup;

                to_wakeup = wq_worker_sleeping(prev, cpu);
                if (to_wakeup)
                    try_to_wake_up_local(to_wakeup);
            }
            deactivate_task(rq, prev, DEQUEUE_SLEEP);

            /*
             * If we are going to sleep and we have plugged IO queued, make
             * sure to submit it to avoid deadlocks.
             */
            if (blk_needs_flush_plug(prev)) {
                raw_spin_unlock(&rq->lock);
                blk_schedule_flush_plug(prev);
                raw_spin_lock(&rq->lock);
            }
        }
        switch_count = &prev->nvcsw;
    }

    pre_schedule(rq, prev); //通知調度器，即將發生進程切換

    if (unlikely(!rq->nr_running))
        idle_balance(cpu, rq);

    put_prev_task(rq, prev); //通知調度器，即將用另一個進程替換當前進程
    next = pick_next_task(rq); //挑選可運行的任務
    clear_tsk_need_resched(prev); //清除pre的TIF_NEED_RESCHED標誌
    rq->skip_clock_update = 0;

    if (likely(prev != next)) { //如果不是同一個進程
        rq->nr_switches++;      
        rq->curr = next;        //將當前進程切換成挑選的那個進程
        ++*switch_count;        //切換次數更新

        context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */ //進程上下文切換
        /*
         * The context switch have flipped the stack from under us
         * and restored the local variables which were saved when
         * this task called schedule() in the past. prev == current
         * is still correct, but it can be moved to another cpu/rq.
         */
        cpu = smp_processor_id();
        rq = cpu_rq(cpu);
    } else
        raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);

    post_schedule(rq); //通知調度類，完成進程切換

    preempt_enable_no_resched();
    if (need_resched())  //如果該進程被其他進程設置了TIF_NEED_RESCHED標誌，則函數重新執行進行調度
        goto need_resched;
}

6.對操作系統模型的看法

7.參考資料

https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%9B%E7%A8%8B/382503?fr=aladdin

https://blog.csdn.net/u013592097/article/details/52530129

https://blog.csdn.net/hzk8656511/article/details/52204016

http://blog.sina.com.cn/s/blog_9ca3f6e70102wkwq.html

第一次作業：基於Linux系統深入源碼分析進程模型