Linux 内核（二）

进程管理

进程的定义

• 进程：程序关于某数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位。

PCB（进程控制块）

• 操作系统管理和控制进程的数据结构，具体实现是task_struct。
• 包括以下信息：
• 进程标识与关系信息：
  • PID：非负整数，进程/线程的唯一标识，一般情况为顺序编号。
  • TGID：非负整数，线程组的唯一标识，主线程上等于PID。
  • PGID：非负整数，同一组进程的标识，子进程上会继承父进程的PGID。
  • SID：非负整数，会话领导进程的PID，如终端shell的PID。
• 进程状态信息：
  • state：进程状态枚举，生命周期中所处的阶段。
  • exit_state：进程结束状态，正常退出还是异常。
  • flags：标志位，记录多个布尔类型的状态。
• 调度信息：优先级、调度策略、调度参数等。
• 内存管理信息：如页表、内存空间布局等。
• CPU上下文信息：如寄存器状态。
• 进程资源信息：如打开文件、信号量、共享内存等。
• 信号处理信息：如待处理信号队列、信号处理函数等。

进程状态

• 抽象看包括：
  • 运行状态：进程正在CPU上运行。
  • 就绪状态：进程已经具备运行条件，只是等待CPU调度。
  • 阻塞状态：进程在等待某个事件发生（如I/O操作、获取资源等）。
  • 创建状态：进程正在被创建。
  • 结束状态：进程已经执行完毕，占有资源将被回收。

进程状态转化图:

进程的创建

fork

• fork（分叉）：创建一个与原进程几乎完全相同的进程，新进程被称为原进程的子进程。
• 写时复制：子进程复制了父进程的task_struct，虚拟内存指向与父进程相同的物理内存，只有当子进程对虚拟内存进行写操作时，才会将父进程的虚拟内存复制一份，并修改其内容。

clone

• clone（克隆）：选择性地继承父进程的资源，可以选择与父进程共享一个虚拟空间，从而创造线程。

进程上下文切换

• 进程地址空间切换：
  • 页表基址寄存器：设置为新进程的一级页表地址。
  • TLB：TLB条目记录进程的ASID（地址空间标识），减少切换空间时的TLB失效。
• 处理器状态切换：
  • CPU寄存器会保存在PCB的CPU上下文结构中，切换时快速恢复。

进程调度

• 定义：从就绪进程中挑选进程分配CPU资源。
• 目标：
  • 公平性：所有进程都能得到合理时间。
  • 效率：最大限度利用CPU，减少空闲。
  • 响应时间：确保交互式进程能及时响应。
• 策略：
  • 先来先服务：按到达就绪队列的先后顺序调度。
  • 短进程优先：优先调度执行时间短的。
  • 时间片轮转：按时间片获得时间，强制切换。
  • 优先级调度：按nice值，越小优先级越高。
• CFS（完全公平调度）
  • Linux内核广泛采用的基于虚拟运行时间的公平调度模型。
  • 使用红黑树动态维护进程优先级。
  • 每次调度时选择红黑树最左边（虚拟运行时间最小）的进程执行。
  • 虚拟运行时间=实际运行时间/权重，nice值越小权重越大。

进程间通信

信号

• 信号：信号是进程间通信和控制的一种方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
• 信号编号：唯一标识，通过kill -l查看所有信号。
• 信号类型：与信号编号一一对应的逻辑名称。如：
  • SIGINT：中断进程，来自终端如Ctrl+C。
  • SIGKILL：立即杀死进程，不能被捕获或忽略。
  • SIGTERM：正常结束进程，可以被捕获或忽略。
  • SIGQUIT：退出并生成core文件，可以被捕获或忽略。
  • SIGSTOP：暂停进程，不能被捕获或忽略。
  • SIGCONT：继续运行暂停的进程，不能被捕获或忽略。
  • SIGUSR1/SIGUSR2：用户自定义信号。
• 信号处理方式：每个信号都有默认处理方式。如：
  • 终止进程：如SIGKILL
  • 忽略信号：如SIGCHLD，通知父进程有子进程退出。
  • 产生core文件：如SIGQUIT，core是核心转储文件，包含内存和寄存器的内容。
  • 自定义处理函数：通过signal或sigaction注册处理函数。
• 信号传递机制：
  • kill命令行：如kill -SIGKILL PID。
  • kill函数：传入PID和信号类型。
  • raise函数：向自身进程发送信号。
  • sigqueue：向进程发送信号，带参数，搭配sigaction使用。

管道

• 在内核中创建一个缓冲区，多个进程通过读写该缓冲区实现通信。
• 特点：
  • 数据只能单向流动。
  • 管道没有数据时，读取的进程会阻塞。
  • 管道放满数据时，写入的进程会阻塞。
  • 管道容量受内核限制。
  • 打开管道的所有进程终止时，管道自动消失。
• 匿名管道：
  • 只能用于具有亲缘关系的进程间通信。
  • 命令行管道符“|”表示前面进程的输出作为后面进程的输入。
• 命名管道：
  • 通过mkfifo函数创建，需指定管道文件路径和读写权限。

共享内存

• 共享内存：多个进程将同一块物理内存映射到自己的虚拟空间实现数据共享。
• 特点：
  • 速度最快。
  • 生命周期随内核。
  • 不带同步和互斥。

消息队列

• 消息队列：由内核提供的支持多进程访问的队列。
• 特点：
  • 生命周期随内核。
  • 自带同步和互斥。

信号量

• 信号量：用于多进程对共享资源进行互斥访问。
• 本质：通过计数器控制对共享资源的访问次数。
• 原理：内核的计数器、等待队列、自旋锁。

套接字

• 套接字：用于相同或不同主机上进程之间的通信。
• 原理：通过TCP或UDP协议进行通信。

网络管理

• 网络协议栈
  • linux 内核网络协议栈只涉及l2/l3/l4层。
  • 接收时，从l2网络设备驱动程序，传递到l3，再到l4。
  • 发送时相反。
• 通信过程
  • TCP 和 UDP 协议通信都是通过操作系统的 Socket 来实现。
  • 服务端调用 socket()函数，指定网络协议和传输协议创建 Socket。
  • 服务端调用 bind()函数，将 Socket 绑定到 IP 地址和端口号。
  • 可能存在多个网卡，所以需要指定 IP 地址。
  • 服务端调用 listen()函数，将 Socket 设置为监听模式，等待客户端连接。
  • 可以通过 netstat 命令查看端口号是否被监听。
  • 服务端调用 accept()函数，从内核获取客户端连接，如果没有连接则阻塞。
  • 客户端调用 socket()函数，指定网络协议和传输协议创建 Socket。
  • 客户端调用 connect()函数，传入 IP 地址和端口号，向服务端发起连接请求。
  • 客户端与服务端通过三次握手建立TCP 连接。
  • 双方通过read()和write()函数读写数据。