【5.linux操作系统】-内核进程/线程/系统调用/调度

linux调度

本质：虚拟处理器，虚拟内存
分类：抢占，非抢占。IO/处理器型
调度

优先级

  nice 与其他系统不同是时间片比例，-20~19（越小越高）
  实时优先级 0-99 越大越高  高于普通的nice

调度器

1.CFS
时间记账：task_struct的se vruntime（这个时间是经过了所有可运行进程总数的标准化，理想下相同优先级有相同vruntime)
选择最小vruntime 红黑树 可运行队列，最左侧节点缓存
2.实时调度FIFO,RR,IDLE
FIFO：一直运行直到阻塞/更高优先级的抢占
RR：有时间片，耗尽后，同优先级轮流
IDLE 比nice19优先级还低

cpu高速缓冲器（1行 32-128字节）
getruasge
getrlimit

内核系统调用 帮助进程通信，访问硬件，申请资源

软中断 0x80=》system_call eaax寄存器中断号 参数：寄存器中，若多于6个，用单独寄存器存放指向所有参数在用户空间地址的指针 返回值：eax寄存器

进程状态

• runing(sleep也是run)
• 可中断睡眠（系统调用等软中断）
• 不可中断（硬中断）忽略信号
  等待队列简单链表wait_queue_head_t=》队列相关事件发生时wake_up=>try_to_wake_up 加入红黑树 设置need_resched
  进程上下文切换：switch_mm 把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中。switch_to负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理状态，保存/恢复栈信息/寄存器信息
  用户抢占（用户间切换是安全的）：从系统调用过或中断返回用户空间，need_resched设置掉schedule()
  内核抢占（抢占内核进程），中断返回内核（内核进程thread_info的preempt_count=0&&need_resched），内核进程阻塞，显示调用会调用
• traced stopped

进程内存管理

sched.h task_struct (slab分配该结构) 内核栈底，所有task_struct已双向链表组织在一起，task list
current宏

虚拟内存

栈  参数,env 栈指针 sp寄存器
堆                                                  
未初始化                                            
初始化
文本

页表（空页未使用虚拟空间无页表）
RAM（只有程序的部分页 ） swap

进程操作

• fork
  复制父进程页表 创建pid 父写也会复制，立即exec省去复制过程（都是clone=>do_fork）
  文件描述符副本相互影响
  代码段只读，共享，页表项指向父进程相同RAM页
  其他段写时复制
  fork后哪个先更好？在二者不变时是没有任何复制的（指的是RAM页内容，前几级的页表还是要复制的），所以，子先直接exec（父未执行） 避免了页的拷贝，要优化这个可以在进程刚起来就起几个Pid用来做后面的exec
  父先cpu中活跃提高性能，但是可能会引起写时复制
• vfork 不拷贝页表（不推荐使用）
• 内核线程 mm为Null
• exit 删除定时器，ipc信号，文件，向父进程发信号，剩余内核栈，thread_info,task_struct
  调用atexit/on_exit注册函数
  刷stddio缓冲区
  _exit 关闭fd。文件锁/sem_close/mq_close,取消mmap,mlock等
  print fork exit
  print是stdio函数有缓冲区，fork时在用户空间内存上复制 exit刷新。会打印两份print内容（若write只有一份）
  setbuf.print前fflush。一个进程用exit其他_exit
• wait 挂起直到子进程退出
  waitpid 可指定pid 非阻塞
  wait3 wait4 统计rusage
  zomble
  SIGHUP 子进程终止发给父进程=》循环waitpid
• execve 重新创建栈 数据段，

线程

线程 pthread linuxthread（千线程）/nptl（10万） 比进程快10倍
独有：tid，信号mask,栈，浮点型环境，优先级，cpu亲和力等

线程同步：互斥量/条件变量

1.静态phreaad_mutex_initializer lock try_lock不阻塞
性能：文件锁/信号量 锁定和解锁总需要发起系统调用，互斥量在内存中执行对所有线程可见，只有发生锁征用时 futext()系统调用
避免死锁：按顺序 lock->try_lock失败释放所有
动态 pthread_mutext_init()
2.条件变量
pthread_cond_initilizer signal breadcast wait
这个变量也要加互斥量 lock wait(unlock xxx lock) unlock
线程安全：互斥量

thread_once
线程特有数据 pthread_key_create pthread_setspecific 一个全局数组 为每个线程设置与key对应元素
线程局部存储 __thread每个线程有一个拷贝

其他操作

cancel 延时取消，到取消点（可作为取消点的函数比如print,sleep等） 取消点前可以调用清理函数。异步取消任何时候取消不能完好清理
信号 动作/处置是进程层面的，真对线程：pthread_kill等
多线程收到一个信号，已创建handler 选一条线程接收处理
exec 任意线程调用 程序被替换，其他线程消失，线程ID不定
fork 子进程复制这一线程，包括互斥量等
exit 任何线程调用，全消失
线程与调度实体，采取1:1实现 每个线程为一个KSE，都要切到内核 (M:1调度等由用户线程处理)

会话

会话首进程 pid ppid pgid组 sid会话
进程组 首pid
非首进程 setsid会创建一个新会话
会话的孤儿进程组，停止但未终止，不会被回收（发HUP->CONT解决）

daemon

cron sshd httpd inetdd
daemon过程：
fork
子进程setsid
若已打开过终端再fork子进程不会成为会话组长，不会重新打开终端
清除umask，修改工作目录，关闭父进程fd
信号处理
syslog

问题

1.进程和线程的区别(进程独立数据地址空间)，父子进程共享哪些内容，线程独占哪些内容；进程创建和线程创建初始化的资源；
fork 区别pid,ppid,某些统计量，某些资源比如挂起的信号。拷贝或共享打开的文件，文件系统信息，信号处理函数，进程地址空间，命名空间。
具体：创建内核栈，thread_info,task_struct。初始化。分配pid。共享/拷贝进程地址空间页表等。线程前6个也差不多。共享的更多。
但最终两个进程相同程序文本段，共享文件描述符。各自不同栈，数据段，堆等P505
线程：共享的地址空间，文件资源和处理，文件描述符，nice值等 clone(clone_vm|clone_fs|clonne_files|clone_sighand,0)
独有：tid，信号mask,线程独有数据，栈，浮点型环境，cpu亲和力等 p511

2.进程调度方式，进程什么情况会休眠；
抢占，调度器：CFS/实时FIFO,RR等。
等待队列简单链表wait_queue_head_t=》队列相关事件发生时wake_up=>try_to_wake_up 加入红黑树 设置need_resched
进程上下文切换：switch_mm 把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中。switch_to负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理状态，保存/恢复栈信息/寄存器信息
用户抢占（用户间切换是安全的）：从系统吊用过或中断返回用户空间，need_resched设置掉schedule()
内核抢占（抢占内核进程），中断返回内核（内核进程thread_info的preempt_count=0&&need_resched），内核进程阻塞，显示调用会调用

可中断睡眠（某些阻塞的系统调用/软中断，比如等待终端输入，等待空管道/信号量），不可中断（硬中断）忽略信号

3.系统调用如何传递参数和获取返回结果；
软中断 0x80=》system_call eaax寄存器中断号 参数：寄存器中，若多于6个，用单独寄存器存放指向所有参数在用户空间地址的指针 返回值：eax寄存器

4.内存布局，内核地址和进程地址；
5.系统打开最多文件个数，创建最多进程数，会被那些因素制约；
句柄地址(稳定)→记载着→对象在内存中的地址(不稳定)
其中open files表示的是单个进程最多允许打开的文件句柄数（soket连接数也算在内），默认值是1024。对于一般的程序来说，这个值是足够的
限制？打开句柄=》系统打开表=》文件/ram 句柄对应地址的查询太慢？
进程数：虚拟内存大小。内核task_struct 1.7k(32位)，thread_info(比较少)。pid int类型的兼容 可改 几万

6.内核空间和用户空间，内存怎么跟着进程切换；
进程上下文：进程的上下文信息包括， 指向可执行文件的指针, 栈, 内存(数据段和堆), 进程状态, 控制信息（信号等）， 寄存器组(栈指针, 指令计数器)，硬件上下文（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）等等
进程上下文切换：switch_mm 把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中（进程的mm_struct的地址映射，加载页表, 刷出地址转换后备缓冲器(部分或者全部), 向内存管理单元(MMU)提供新的信息）。switch_to负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理状态，保存/恢复栈信息/寄存器信息
（https://blog.csdn.net/gatieme...）
7.中断和进程上下文的关系
当程序系统调用到内核空间，内核代表进程执行，并处于进程上个下文中，current宏是有效的，除非高优先级抢占否则退出还恢复用户空间继续执行。中断上下文，内核执行中断处理程序。不会有进程去干扰