《Linux内核设计与实现》阅读笔记：(第三章)进程管理

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本人第一次翻看《Linux内核设计与实现》的时候，非常享受其中关于Linux进程调度的内容。不同于《深入理解计算机系统》泛而全，此书对于特定领域知识的介绍更加详细，且作者就是Linux抢占式内核、进程调度器等项目的参与者，书中的描述具有权威性。本人将开启一个文章系列作为对此书的阅读笔记。

进程概念

书中给出了一些概念：

  • 进程：处于执行期的程序以及相关资源的总称、正在执行的程序代码的实时结果 / 内核视进程为任务；
  • 可执行代码：在Unix称为代码段，text section；
  • 进程描述符：包含一个进程的所有信息；

Linux系统的线程实现：对线程和进程不特别区分；

进程提供两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存，分别将在第四章和第十二章详细描述；

一些系统级函数：fork、exec、exit、wait4()等；

Linux内核通常也把进程叫做任务task，书中“任务”“进程”这两个术语交替使用。

进程描述符

内核把进程放在任务队列中，这个队列是一个双向循环链表，链表每一项都是task_struct类型，称为进程描述符。这个描述符包含一个进程的所有信息。

分配进程描述符：Linux通过slab分配器分配task_struct，在这个过程中会创建新的结构struct thread_info，这个结构有助于计算偏移量。

PID用来标识进程，每个进程的PID都存放在各自的进程描述符中，默认最大值32768，但可以修改。

进程上下文：可执行文件 -> 进程地址空间 -> 用户空间执行 -> 系统调用 or 触发异常则内核空间执行，此时的内核处于进程上下文中。

进程/线程状态

每个进程/线程都处于下列五种状态的一种：

  1. TASK_RUNNING：或者正在执行，或者在运行队列中等待执行；
  2. TASK_INTERRUPTIBLE：进程睡眠，等待条件，可接受信号并被其提前唤醒；
  3. TASK_UNINTERRUPTIBLE：进程睡眠，不响应信号；
  4. __TASK_TRACED：被其它进程跟踪；
  5. __TASK_STOPPED：停止执行，没有投入运行也不能投入运行；

进程家族树

  • 所有进程都是PID为1的init进程的后代；
  • 每个进程都有一个父进程，每个进程也拥有0个到多个子进程，子进程构成链表；
  • 可以从系统的任何进程出发，查找到任意指定的其它进程；

进程创建

产生进程的机制：新的地址空间创建进程，读入可执行文件，最后开始执行。

进程和可执行文件的关系是什么？我的理解是，进程是Linux的任务，执行文件是实体。

fork

fork的作用是创建进程，子进程和父进程的区别在于PID、PPID以及某些资源和统计量；

exec的作用是读取可执行文件载入地址空间执行；

COW，即写时复制，父子进程对资源进行只读共享，只有在写入时才对页复制；

fork的开销：复制父子进程的页表以及给子进程创建唯一的进程描述符；

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fork()
           \
           _\|
vfork()  ---> clone() ---> do_fork() ---> copy_process()
           _
           /|
          /
__clone()

copy_process：

  1. 调用dup_task_struct()，为新进程创建一个内核栈、thread_info以及task_struct，父子进程的这些值以及描述符都是相同的；
  2. 资源限制检查；
  3. 更改某些资源和统计量，父子进程开始彼此区分；
  4. 设置进程态：TASK_UNINTERRUPTIBLE；
  5. 一些标志位的设定；
  6. 为新进程分配有效PID；
  7. 根据传递给clone()的标志位，要么复制要么共享资源，公共的就共享，独有的就复制到该处；
  8. 做一些进程创建的收尾工作，返回指向新进程的指针；

子进程优先开始的目的是让其先执行exec()，避免写时复制的开销，是一种优化(这个复制开销可能指的是父进程写入)。

vfork()

vfork()和fork()有相同的功效，但和fork主要有两点区别：

  • 不复制父进程页表；
  • 父进程会阻塞直到子进程执行exec()或者调用_exit()。

通常来说除非给性能带来重大提升，否则一般避免使用此调用。

线程实现

Linux中，线程被视为一个与其它进程共享某些资源(地址空间)的进程；

创建方式和fork()差不多，但是会通过标志位来决定共享资源的种类；

内核进程：

内核进行的后台操作通过内核线程完成，内核线程独立运行在内核空间，它和普通进程间的区别是没有独立的地址空间，不会将上下文切换至用户空间；

后续章节还会讨论这个概念。

进程终结

进程终结将释放资源并通知父进程。

终结的方式通常有：

  • 显式调用exit()；
  • 隐式调用exit()；
  • 遇到不能处理也不能忽略的信号或异常；

exit()主要靠do_exit()代码：

  1. 设置task_struct标志位为PF_EXITING；
  2. 删除内核定时器；
  3. 若开启了记账功能，调用相关方法输出记账；
  4. 调用exit_mm()释放mm_struct；
  5. 调用sem__exit()，如果进程进队是等候IPC信号，则出队；
  6. 调用exit_files()和exit_fs()来递减相关资源的引用计数，计数为0就释放资源；
  7. 设置退出代码，供父进程检索；
  8. exit_notify()发信号给父进程，然后寻找养父，养父为线程组其它线程活着init进程，然后把子进程的退出状态设置为EXIT_ZOMBIE；
  9. do_exit调用schedule()，因为处于僵尸状态所以这是进程所执行的最后一段代码；

处于僵尸状态的进程还占用内核栈、thread_info以及task_struct，目的是给父类提供信息，父类检索后或者通知内核后，释放最后的资源。

最后的资源主要由进程描述符以及其相关结构组成，父进程调用wait()然后被挂起，直到它的一个子进程退出，然后会返回该子进程的PID，不仅如此，一个指针被提供给该函数，返回时会持有子进程的退出码。最终的释放还会调用release_task()。

当然上面还可能会遇到一种问题，那就是父进程在子进程之前就退出了，这就涉及到上面列举的第8步，寻找养父，不然就是孤儿进程永远处在僵尸状态不能释放。找到养父后就同上，调用wait()检查子进程，清除其中的僵尸进程。

补充

进程的布局

逻辑划分如下(也称段)：

  • 文本：程序指令；
  • 数据：程序使用的静态变量；
  • 堆：程序可从该区域动态分配额外内存；
  • 栈：随函数调用；

以上可以类比Java线程的组成结构。

fork之后的竞态条件

前文提到了“子进程优先开始的目的是让其先执行exec()”，为什么子进程优先执行exec()会避免无谓的复制和开销？

这要从子进程的执行说起。当fork出子进程后，常常会去执行和父进程共享代码段的另一组不同函数，在Redis源码中就出现过；另一种常见的情况是使用系统调用exec()去加载全新的程序，exec()会销毁现有的文本、数据、堆以及栈，建立新的堆栈页。

父进程在fork()之后继续修改数据页和栈页，那么如果父进程先执行，内核就要为子进程复制那些“将要修改”的页。而先调度子进程，它会立即执行exec()，当下一次调度到父进程的时候，就无需复制内存页了。

不过在Linux2.6.32又改成父进程先执行，因为父进程在CPU处于活跃状态，并且内存管理信息也被置于内存管理单元的转译后背缓冲器(TLB)，所以线运行父进程可以提高性能。

其实这两种策略性能差异很小，对大部分应用程序几无影响。

小结

本文是对《Linux内核设计与实现》一书第三章所做的笔记，主要探究了Linux进程的生命周期，并对一些内容进行了补充。

为什么vfork会存在子进程有新地址空间的说法？地址空间不共享吗？毕竟写时复制时“内核此时并不复制整个进程地址空间”？关于地址空间的理解会在后续文章展开。

问题

书中写道”If Linux one day gains copy-on-write page table entries, there will no longer be any benefit”，这句话感觉有歧义也不好理解，fork不是已经提供了这一功能么？

参考

《Linux内核设计与实现(第三版)》

《Linux Kernel Development, 3rd Edition》

《Linux_UNIX系统编程手册(上)》