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

Linux 是一種動態(tài)系統(tǒng)，能夠適應不斷變化的計算需求。Linux 計算需求的表現(xiàn)是以進程 的通用抽象為中心的。進程可以是短期的（從命令行執(zhí)行的一個命令），也可以是長期的（一種網(wǎng)絡服務）。因此，對進程及其調度進行一般管理就顯得極為重要。

在用戶空間，進程是由進程標識符（PID）表示的。從用戶的角度來看，一個 PID 是一個數(shù)字值，可惟一標識一個進程。一個 PID 在進程的整個生命期間不會更改，但 PID 可以在進程銷毀后被重新使用，所以對它們進行緩存并不見得總是理想的。

在用戶空間，創(chuàng)建進程可以采用幾種方式?？梢詧?zhí)行一個程序（這會導致新進程的創(chuàng)建），也可以在程序內，調用一個 fork 或 exec 系統(tǒng)調用。fork 調用會導致創(chuàng)建一個子進程，而 exec 調用則會用新程序代替當前進程上下文。接下來，我將對這幾種方法進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進程的介紹，首先展示進程的內核表示以及它們是如何在內核內被管理的，然后來看看進程創(chuàng)建和調度的各種方式（在一個或多個處理器上），最后介紹進程的銷毀。

進程表示

在 Linux 內核內，進程是由相當大的一個稱為 task_struct 的結構表示的。此結構包含所有表示此進程所必需的數(shù)據(jù)，此外，還包含了大量的其他數(shù)據(jù)用來統(tǒng)計（accounting）和維護與其他進程的關系（父和子）。對 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，可以看到幾個預料之中的項，比如執(zhí)行的狀態(tài)、堆棧、一組標志、父進程、執(zhí)行的線程（可以有很多）以及開放文件。我稍后會對其進行詳細說明，這里只簡單加以介紹。state 變量是一些表明任務狀態(tài)的比特位。最常見的狀態(tài)有：TASK_RUNNING 表示進程正在運行，或是排在運行隊列中正要運行；TASK_INTERRUPTIBLE 表示進程正在休眠、TASK_UNINTERRUPTIBLE 表示進程正在休眠但不能叫醒；TASK_STOPPED 表示進程停止等等。這些標志的完整列表可以在 ./linux/include/linux/sched.h 內找到。

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

每個進程都會被賦予優(yōu)先級（稱為 static_prio），但進程的實際優(yōu)先級是基于加載以及其他幾個因素動態(tài)決定的。優(yōu)先級值越低，實際的優(yōu)先級越高。

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

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

thread_struct 則用來標識進程的存儲狀態(tài)。此元素依賴于 Linux 在其上運行的特定架構，在 ./linux/include/asm-i386/processor.h 內有這樣的一個例子。在此結構內，可以找到該進程自執(zhí)行上下文切換后的存儲（硬件注冊表、程序計數(shù)器等）。

進程管理

最大進程數(shù)

在 Linux 內雖然進程都是動態(tài)分配的，但還是需要考慮最大進程數(shù)。在內核內最大進程數(shù)是由一個稱為 max_threads 的符號表示的，它可以在 ./linux/kernel/fork.c 內找到。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 內管理進程。在很多情況下，進程都是動態(tài)創(chuàng)建并由一個動態(tài)分配的 task_struct 表示。一個例外是 init 進程本身，它總是存在并由一個靜態(tài)分配的 task_struct 表示。在 ./linux/arch/i386/kernel/init_task.c 內可以找到這樣的一個例子。

Linux 內所有進程的分配有兩種方式。第一種方式是通過一個哈希表，由 PID 值進行哈希計算得到；第二種方式是通過雙鏈循環(huán)表。循環(huán)表非常適合于對任務列表進行迭代。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)向前迭代的一個錨點。讓我們來看一個遍歷當前任務集的例子。

任務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核內插入代碼。清單 2 中所示的是一個很簡單的程序，它會迭代任務列表并會提供有關每個任務的少量信息（name、pid 和 parent 名）。注意，在這里，此模塊使用 printk 來發(fā)出結果。要查看具體的結果，可以通過 cat 實用工具（或實時的 tail -f /var/log/messages）查看 /var/log/messages 文件。next_task 函數(shù)是 sched.h 內的一個宏，它簡化了任務列表的迭代（返回下一個任務的 task_struct 引用）。

清單 2. 發(fā)出任務信息的簡單內核模塊（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，可以用 insmod procsview.ko 插入模塊對象，也可以用 rmmod procsview 刪除它。

清單 3. 用來構建內核模塊的 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，這里有一個空閑任務（稱為 swapper）和 init 任務（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，還可以標識當前正在運行的任務。Linux 維護一個稱為 current 的符號，代表的是當前運行的進程（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 );

會看到：

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

注意到，當前的任務是 insmod，這是因為 init_module 函數(shù)是在 insmod 命令執(zhí)行的上下文運行的。current 符號實際指的是一個函數(shù)（get_current）并可在一個與 arch 有關的頭部中找到（比如 ./linux/include/asm-i386/current.h 內找到）。

進程創(chuàng)建

系統(tǒng)調用函數(shù)

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

讓我們不妨親自看看如何從用戶空間創(chuàng)建一個進程。用戶空間任務和內核任務的底層機制是一致的，因為二者最終都會依賴于一個名為 do_fork 的函數(shù)來創(chuàng)建新進程。在創(chuàng)建內核線程時，內核會調用一個名為 kernel_thread 的函數(shù)（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函數(shù)執(zhí)行某些初始化后會調用 do_fork。

創(chuàng)建用戶空間進程的情況與此類似。在用戶空間，一個程序會調用 fork，這會導致對名為 sys_fork 的內核函數(shù)的系統(tǒng)調用（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。函數(shù)關系如圖 1 所示。

圖 1. 負責創(chuàng)建進程的函數(shù)的層次結構
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從圖 1 中，可以看到 do_fork 是進程創(chuàng)建的基礎?？梢栽?./linux/kernel/fork.c 內找到 do_fork 函數(shù)（以及合作函數(shù) copy_process）。

do_fork 函數(shù)首先調用 alloc_pidmap，該調用會分配一個新的 PID。接下來，do_fork 檢查調試器是否在跟蹤父進程。如果是，在 clone_flags 內設置 CLONE_PTRACE 標志以做好執(zhí)行 fork 操作的準備。之后 do_fork 函數(shù)還會調用 copy_process，向其傳遞這些標志、堆棧、注冊表、父進程以及最新分配的 PID。

新的進程在 copy_process 函數(shù)內作為父進程的一個副本創(chuàng)建。此函數(shù)能執(zhí)行除啟動進程之外的所有操作，啟動進程在之后進行處理。copy_process 內的第一步是驗證 CLONE 標志以確保這些標志是一致的。如果不一致，就會返回 EINVAL 錯誤。接下來，詢問 Linux Security Module (LSM) 看當前任務是否可以創(chuàng)建一個新任務。

接下來，調用 dup_task_struct 函數(shù)（在 ./linux/kernel/fork.c 內），這會分配一個新 task_struct 并將當前進程的描述符復制到其內。在新的線程堆棧設置好后，一些狀態(tài)信息也會被初始化，并且會將控制返回給 copy_process。控制回到 copy_process 后，除了其他幾個限制和安全檢查之外，還會執(zhí)行一些常規(guī)管理，包括在新 task_struct 上的各種初始化。之后，會調用一系列復制函數(shù)來復制此進程的各個方面，比如復制開放文件描述符（copy_files）、復制符號信息（copy_sighand 和 copy_signal）、復制進程內存（copy_mm）以及最終復制線程（copy_thread）。

之后，這個新任務會被指定給一個處理程序，同時對允許執(zhí)行進程的處理程序進行額外的檢查（cpus_allowed）。新進程的優(yōu)先級從父進程的優(yōu)先級繼承后，執(zhí)行一小部分額外的常規(guī)管理，而且控制也會被返回給 do_fork。在此時，新進程存在但尚未運行。do_fork 函數(shù)通過調用 wake_up_new_task 來修復此問題。此函數(shù)（可在 ./linux/kernel/sched.c 內找到）初始化某些調度程序的常規(guī)管理信息，將新進程放置在運行隊列之內，然后將其喚醒以便執(zhí)行。最后，一旦返回至 do_fork，此 PID 值即被返回給調用程序，進程完成。

進程調度

存在于 Linux 的進程也可通過 Linux 調度程序被調度。雖然調度程序超出了本文的討論范圍，但 Linux 調度程序維護了針對每個優(yōu)先級別的一組列表，其中保存了 task_struct 引用。任務通過 schedule 函數(shù)（在 ./linux/kernel/sched.c 內）調用，它根據(jù)加載及進程執(zhí)行歷史決定最佳進程。

進程銷毀

進程銷毀可以通過幾個事件驅動 — 通過正常的進程結束、通過信號或是通過對 exit 函數(shù)的調用。不管進程如何退出，進程的結束都要借助對內核函數(shù) do_exit（在 ./linux/kernel/exit.c 內）的調用。此過程如圖 2 所示。

圖 2. 實現(xiàn)進程銷毀的函數(shù)的層次結構
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do_exit 的目的是將所有對當前進程的引用從操作系統(tǒng)刪除（針對所有沒有共享的資源）。銷毀的過程先要通過設置 PF_EXITING 標志來表明進程正在退出。內核的其他方面會利用它來避免在進程被刪除時還試圖處理此進程。將進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用實現(xiàn)的，比如 exit_mm（刪除內存頁）和 exit_keys（釋放線程會話和進程安全鍵）。do_exit 函數(shù)執(zhí)行釋放進程所需的各種統(tǒng)計，這之后，通過調用 exit_notify 執(zhí)行一系列通知（比如，告知父進程其子進程正在退出）。最后，進程狀態(tài)被更改為 PF_DEAD，并且還會調用 schedule 函數(shù)來選擇一個將要執(zhí)行的新進程。請注意，如果對父進程的通知是必需的（或進程正在被跟蹤），那么任務將不會徹底消失。如果無需任何通知，就可以調用 release_task 來實際收回由進程使用的那部分內存。

結束語

Linux 還在不斷演進，其中一個有待進一步創(chuàng)新和優(yōu)化的領域就是進程管理。在堅持 UNIX 原理的同時，Linux 也在不斷突破。新的處理器架構、對稱多處理（SMP）以及虛擬化都將促使在內核領域內取得新進展。其中的一個例子就是 Linux 版本 2.6 中引入的新的 O(1) 調度程序，它為具有大量任務的系統(tǒng)提供了可伸縮性。另外一個例子就是使用 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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