Linux? 的用戶空間進(jìn)程的創(chuàng)建和管理所涉及的原理與 UNIX? 有很多共同點(diǎn)，但也有一些特定于 Linux 的獨(dú)特之處。在本文中，了解 Linux 進(jìn)程的生命周期，探索用戶進(jìn)程創(chuàng)建、內(nèi)存管理、調(diào)度和銷毀的內(nèi)核內(nèi)幕。

Linux 是一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不斷變化的計(jì)算需求。Linux 計(jì)算需求的表現(xiàn)是以進(jìn)程 的通用抽象為中心的。進(jìn)程可以是短期的（從命令行執(zhí)行的一個(gè)命令），也可以是長(zhǎng)期的（一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）。因此，對(duì)進(jìn)程及其調(diào)度進(jìn)行一般管理就顯得極為重要。

在用戶空間，進(jìn)程是由進(jìn)程標(biāo)識(shí)符（PID）表示的。從用戶的角度來看，一個(gè) PID 是一個(gè)數(shù)字值，可惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程。一個(gè) PID 在進(jìn)程的整個(gè)生命期間不會(huì)更改，但 PID 可以在進(jìn)程銷毀后被重新使用，所以對(duì)它們進(jìn)行緩存并不見得總是理想的。

在用戶空間，創(chuàng)建進(jìn)程可以采用幾種方式?？梢詧?zhí)行一個(gè)程序（這會(huì)導(dǎo)致新進(jìn)程的創(chuàng)建），也可以在程序內(nèi)，調(diào)用一個(gè) fork 或 exec 系統(tǒng)調(diào)用。fork 調(diào)用會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，而 exec 調(diào)用則會(huì)用新程序代替當(dāng)前進(jìn)程上下文。接下來，我將對(duì)這幾種方法進(jìn)行討論以便您能很好地理解它們的工作原理。

在本文中，我將按照下面的順序展開對(duì)進(jìn)程的介紹，首先展示進(jìn)程的內(nèi)核表示以及它們是如何在內(nèi)核內(nèi)被管理的，然后來看看進(jìn)程創(chuàng)建和調(diào)度的各種方式（在一個(gè)或多個(gè)處理器上），最后介紹進(jìn)程的銷毀。

進(jìn)程表示

在 Linux 內(nèi)核內(nèi)，進(jìn)程是由相當(dāng)大的一個(gè)稱為 task_struct 的結(jié)構(gòu)表示的。此結(jié)構(gòu)包含所有表示此進(jìn)程所必需的數(shù)據(jù)，此外，還包含了大量的其他數(shù)據(jù)用來統(tǒng)計(jì)（accounting）和維護(hù)與其他進(jìn)程的關(guān)系（父和子）。對(duì) task_struct 的完整介紹超出了本文的范圍，清單 1 給出了 task_struct 的一小部分。這些代碼包含了本文所要探索的這些特定元素。task_struct 位于 ./linux/include/linux/sched.h。

清單 1. task_struct 的一小部分

struct task_struct {volatile long state;void *stack;unsigned int flags;int prio, static_prio;struct list_head tasks;struct mm_struct *mm, *active_mm;pid_t pid;pid_t tgid;struct task_struct *real_parent;char comm[TASK_COMM_LEN];struct thread_struct thread;struct files_struct *files;...};

在清單 1 中，可以看到幾個(gè)預(yù)料之中的項(xiàng)，比如執(zhí)行的狀態(tài)、堆棧、一組標(biāo)志、父進(jìn)程、執(zhí)行的線程（可以有很多）以及開放文件。我稍后會(huì)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說明，這里只簡(jiǎn)單加以介紹。state 變量是一些表明任務(wù)狀態(tài)的比特位。最常見的狀態(tài)有：TASK_RUNNING 表示進(jìn)程正在運(yùn)行，或是排在運(yùn)行隊(duì)列中正要運(yùn)行；TASK_INTERRUPTIBLE 表示進(jìn)程正在休眠、TASK_UNINTERRUPTIBLE 表示進(jìn)程正在休眠但不能叫醒；TASK_STOPPED 表示進(jìn)程停止等等。這些標(biāo)志的完整列表可以在 ./linux/include/linux/sched.h 內(nèi)找到。

flags 定義了很多指示符，表明進(jìn)程是否正在被創(chuàng)建（PF_STARTING）或退出（PF_EXITING），或是進(jìn)程當(dāng)前是否在分配內(nèi)存（PF_MEMALLOC）?？蓤?zhí)行程序的名稱（不包含路徑）占用 comm（命令）字段。

每個(gè)進(jìn)程都會(huì)被賦予優(yōu)先級(jí)（稱為 static_prio），但進(jìn)程的實(shí)際優(yōu)先級(jí)是基于加載以及其他幾個(gè)因素動(dòng)態(tài)決定的。優(yōu)先級(jí)值越低，實(shí)際的優(yōu)先級(jí)越高。

tasks 字段提供了鏈接列表的能力。它包含一個(gè) prev 指針（指向前一個(gè)任務(wù)）和一個(gè) next 指針（指向下一個(gè)任務(wù)）。

進(jìn)程的地址空間由 mm 和 active_mm 字段表示。mm 代表的是進(jìn)程的內(nèi)存描述符，而 active_mm 則是前一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存描述符（為改進(jìn)上下文切換時(shí)間的一種優(yōu)化）。

thread_struct 則用來標(biāo)識(shí)進(jìn)程的存儲(chǔ)狀態(tài)。此元素依賴于 Linux 在其上運(yùn)行的特定架構(gòu)，在 ./linux/include/asm-i386/processor.h 內(nèi)有這樣的一個(gè)例子。在此結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以找到該進(jìn)程自執(zhí)行上下文切換后的存儲(chǔ)（硬件注冊(cè)表、程序計(jì)數(shù)器等）。

進(jìn)程管理

最大進(jìn)程數(shù)

在 Linux 內(nèi)雖然進(jìn)程都是動(dòng)態(tài)分配的，但還是需要考慮最大進(jìn)程數(shù)。在內(nèi)核內(nèi)最大進(jìn)程數(shù)是由一個(gè)稱為 max_threads 的符號(hào)表示的，它可以在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)找到。可以通過 /proc/sys/kernel/threads-max 的 proc 文件系統(tǒng)從用戶空間更改此值。

現(xiàn)在，讓我們來看看如何在 Linux 內(nèi)管理進(jìn)程。在很多情況下，進(jìn)程都是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建并由一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的 task_struct 表示。一個(gè)例外是 init 進(jìn)程本身，它總是存在并由一個(gè)靜態(tài)分配的 task_struct 表示。在 ./linux/arch/i386/kernel/init_task.c 內(nèi)可以找到這樣的一個(gè)例子。

Linux 內(nèi)所有進(jìn)程的分配有兩種方式。第一種方式是通過一個(gè)哈希表，由 PID 值進(jìn)行哈希計(jì)算得到；第二種方式是通過雙鏈循環(huán)表。循環(huán)表非常適合于對(duì)任務(wù)列表進(jìn)行迭代。由于列表是循環(huán)的，沒有頭或尾；但是由于 init_task 總是存在，所以可以將其用作繼續(xù)向前迭代的一個(gè)錨點(diǎn)。讓我們來看一個(gè)遍歷當(dāng)前任務(wù)集的例子。

任務(wù)列表無法從用戶空間訪問，但該問題很容易解決，方法是以模塊形式向內(nèi)核內(nèi)插入代碼。清單 2 中所示的是一個(gè)很簡(jiǎn)單的程序，它會(huì)迭代任務(wù)列表并會(huì)提供有關(guān)每個(gè)任務(wù)的少量信息（name、pid 和 parent 名）。注意，在這里，此模塊使用 printk 來發(fā)出結(jié)果。要查看具體的結(jié)果，可以通過 cat 實(shí)用工具（或?qū)崟r(shí)的 tail -f /var/log/messages）查看 /var/log/messages 文件。next_task 函數(shù)是 sched.h 內(nèi)的一個(gè)宏，它簡(jiǎn)化了任務(wù)列表的迭代（返回下一個(gè)任務(wù)的 task_struct 引用）。

清單 2. 發(fā)出任務(wù)信息的簡(jiǎn)單內(nèi)核模塊（procsview.c）

#include #include #include int init_module( void ){ /* Set up the anchor point */ struct task_struct *task = &init_task; /* Walk through the task list, until we hit the init_task again */ do { printk( KERN_INFO "*** %s [%d] parent %s\n",task->comm, task->pid, task->parent->comm ); } while ( (task = next_task(task)) != &init_task ); return 0;}void cleanup_module( void ){ return;}

可以用清單 3 所示的 Makefile 編譯此模塊。在編譯時(shí)，可以用 insmod procsview.ko 插入模塊對(duì)象，也可以用 rmmod procsview 刪除它。

清單 3. 用來構(gòu)建內(nèi)核模塊的 Makefile

obj-m += procsview.oKDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modules

插入后，/var/log/messages 可顯示輸出，如下所示。從中可以看到，這里有一個(gè)空閑任務(wù)（稱為 swapper）和 init 任務(wù)（pid 1）。

Nov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.873310] *** swapper [0] parent swapperNov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.904182] *** init [1] parent swapperNov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.904215] *** kthreadd [2] parent swapperNov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.904233] *** migration/0 [3] parent kthreadd...

注意，還可以標(biāo)識(shí)當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)。Linux 維護(hù)一個(gè)稱為 current 的符號(hào)，代表的是當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程（類型是 task_struct）。如果在 init_module 的尾部插入如下這行代碼：

printk( KERN_INFO, "Current task is %s [%d], current->comm, current->pid );

會(huì)看到：

Nov 12 22:48:45 mtj-desktop kernel: [10233.323662] Current task is insmod [6538]

注意到，當(dāng)前的任務(wù)是 insmod，這是因?yàn)?init_module 函數(shù)是在 insmod 命令執(zhí)行的上下文運(yùn)行的。current 符號(hào)實(shí)際指的是一個(gè)函數(shù)（get_current）并可在一個(gè)與 arch 有關(guān)的頭部中找到（比如 ./linux/include/asm-i386/current.h 內(nèi)找到）。

進(jìn)程創(chuàng)建

系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

您可能已經(jīng)看到過系統(tǒng)調(diào)用的模式了。在很多情況下，系統(tǒng)調(diào)用都被命名為 sys_* 并提供某些初始功能以實(shí)現(xiàn)調(diào)用（例如錯(cuò)誤檢查或用戶空間的行為）。實(shí)際的工作常常會(huì)委派給另外一個(gè)名為 do_* 的函數(shù)。

讓我們不妨親自看看如何從用戶空間創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程。用戶空間任務(wù)和內(nèi)核任務(wù)的底層機(jī)制是一致的，因?yàn)槎咦罱K都會(huì)依賴于一個(gè)名為 do_fork 的函數(shù)來創(chuàng)建新進(jìn)程。在創(chuàng)建內(nèi)核線程時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用一個(gè)名為 kernel_thread 的函數(shù)（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函數(shù)執(zhí)行某些初始化后會(huì)調(diào)用 do_fork。

創(chuàng)建用戶空間進(jìn)程的情況與此類似。在用戶空間，一個(gè)程序會(huì)調(diào)用 fork，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)名為 sys_fork 的內(nèi)核函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。函數(shù)關(guān)系如圖 1 所示。

圖 1. 負(fù)責(zé)創(chuàng)建進(jìn)程的函數(shù)的層次結(jié)構(gòu)
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從圖 1 中，可以看到 do_fork 是進(jìn)程創(chuàng)建的基礎(chǔ)。可以在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)找到 do_fork 函數(shù)（以及合作函數(shù) copy_process）。

do_fork 函數(shù)首先調(diào)用 alloc_pidmap，該調(diào)用會(huì)分配一個(gè)新的 PID。接下來，do_fork 檢查調(diào)試器是否在跟蹤父進(jìn)程。如果是，在 clone_flags 內(nèi)設(shè)置 CLONE_PTRACE 標(biāo)志以做好執(zhí)行 fork 操作的準(zhǔn)備。之后 do_fork 函數(shù)還會(huì)調(diào)用 copy_process，向其傳遞這些標(biāo)志、堆棧、注冊(cè)表、父進(jìn)程以及最新分配的 PID。

新的進(jìn)程在 copy_process 函數(shù)內(nèi)作為父進(jìn)程的一個(gè)副本創(chuàng)建。此函數(shù)能執(zhí)行除啟動(dòng)進(jìn)程之外的所有操作，啟動(dòng)進(jìn)程在之后進(jìn)行處理。copy_process 內(nèi)的第一步是驗(yàn)證 CLONE 標(biāo)志以確保這些標(biāo)志是一致的。如果不一致，就會(huì)返回 EINVAL 錯(cuò)誤。接下來，詢問 Linux Security Module (LSM) 看當(dāng)前任務(wù)是否可以創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)。

接下來，調(diào)用 dup_task_struct 函數(shù)（在 ./linux/kernel/fork.c 內(nèi)），這會(huì)分配一個(gè)新 task_struct 并將當(dāng)前進(jìn)程的描述符復(fù)制到其內(nèi)。在新的線程堆棧設(shè)置好后，一些狀態(tài)信息也會(huì)被初始化，并且會(huì)將控制返回給 copy_process?？刂苹氐?copy_process 后，除了其他幾個(gè)限制和安全檢查之外，還會(huì)執(zhí)行一些常規(guī)管理，包括在新 task_struct 上的各種初始化。之后，會(huì)調(diào)用一系列復(fù)制函數(shù)來復(fù)制此進(jìn)程的各個(gè)方面，比如復(fù)制開放文件描述符（copy_files）、復(fù)制符號(hào)信息（copy_sighand 和 copy_signal）、復(fù)制進(jìn)程內(nèi)存（copy_mm）以及最終復(fù)制線程（copy_thread）。

之后，這個(gè)新任務(wù)會(huì)被指定給一個(gè)處理程序，同時(shí)對(duì)允許執(zhí)行進(jìn)程的處理程序進(jìn)行額外的檢查（cpus_allowed）。新進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)從父進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)繼承后，執(zhí)行一小部分額外的常規(guī)管理，而且控制也會(huì)被返回給 do_fork。在此時(shí)，新進(jìn)程存在但尚未運(yùn)行。do_fork 函數(shù)通過調(diào)用 wake_up_new_task 來修復(fù)此問題。此函數(shù)（可在 ./linux/kernel/sched.c 內(nèi)找到）初始化某些調(diào)度程序的常規(guī)管理信息，將新進(jìn)程放置在運(yùn)行隊(duì)列之內(nèi)，然后將其喚醒以便執(zhí)行。最后，一旦返回至 do_fork，此 PID 值即被返回給調(diào)用程序，進(jìn)程完成。

進(jìn)程調(diào)度

存在于 Linux 的進(jìn)程也可通過 Linux 調(diào)度程序被調(diào)度。雖然調(diào)度程序超出了本文的討論范圍，但 Linux 調(diào)度程序維護(hù)了針對(duì)每個(gè)優(yōu)先級(jí)別的一組列表，其中保存了 task_struct 引用。任務(wù)通過 schedule 函數(shù)（在 ./linux/kernel/sched.c 內(nèi)）調(diào)用，它根據(jù)加載及進(jìn)程執(zhí)行歷史決定最佳進(jìn)程。

進(jìn)程銷毀

進(jìn)程銷毀可以通過幾個(gè)事件驅(qū)動(dòng) — 通過正常的進(jìn)程結(jié)束、通過信號(hào)或是通過對(duì) exit 函數(shù)的調(diào)用。不管進(jìn)程如何退出，進(jìn)程的結(jié)束都要借助對(duì)內(nèi)核函數(shù) do_exit（在 ./linux/kernel/exit.c 內(nèi)）的調(diào)用。此過程如圖 2 所示。

圖 2. 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程銷毀的函數(shù)的層次結(jié)構(gòu)
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do_exit 的目的是將所有對(duì)當(dāng)前進(jìn)程的引用從操作系統(tǒng)刪除（針對(duì)所有沒有共享的資源）。銷毀的過程先要通過設(shè)置 PF_EXITING 標(biāo)志來表明進(jìn)程正在退出。內(nèi)核的其他方面會(huì)利用它來避免在進(jìn)程被刪除時(shí)還試圖處理此進(jìn)程。將進(jìn)程從它在其生命期間獲得的各種資源分離開來是通過一系列調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，比如 exit_mm（刪除內(nèi)存頁）和 exit_keys（釋放線程會(huì)話和進(jìn)程安全鍵）。do_exit 函數(shù)執(zhí)行釋放進(jìn)程所需的各種統(tǒng)計(jì)，這之后，通過調(diào)用 exit_notify 執(zhí)行一系列通知（比如，告知父進(jìn)程其子進(jìn)程正在退出）。最后，進(jìn)程狀態(tài)被更改為 PF_DEAD，并且還會(huì)調(diào)用 schedule 函數(shù)來選擇一個(gè)將要執(zhí)行的新進(jìn)程。請(qǐng)注意，如果對(duì)父進(jìn)程的通知是必需的（或進(jìn)程正在被跟蹤），那么任務(wù)將不會(huì)徹底消失。如果無需任何通知，就可以調(diào)用 release_task 來實(shí)際收回由進(jìn)程使用的那部分內(nèi)存。

結(jié)束語

Linux 還在不斷演進(jìn)，其中一個(gè)有待進(jìn)一步創(chuàng)新和優(yōu)化的領(lǐng)域就是進(jìn)程管理。在堅(jiān)持 UNIX 原理的同時(shí)，Linux 也在不斷突破。新的處理器架構(gòu)、對(duì)稱多處理（SMP）以及虛擬化都將促使在內(nèi)核領(lǐng)域內(nèi)取得新進(jìn)展。其中的一個(gè)例子就是 Linux 版本 2.6 中引入的新的 O(1) 調(diào)度程序，它為具有大量任務(wù)的系統(tǒng)提供了可伸縮性。另外一個(gè)例子就是使用 Native POSIX Thread Library (NPTL) 更新了的線程模型，與之前的 LinuxThreads 模型相比，它帶來了更為有效的線程處理。

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