Linux内核学习-2. 进程的管理和调度

Linux内核学习-2. 进程的管理和调度（要点）

内核的任务

进程的管理和调度

进程优先级

进程优先级粗暴分为实时进程和非实时进程：

• 硬实时进程：有严格的时间限制/Linux不支持硬实时/一些linux旁支版本RTLinux支持硬实时，主要原因是调度器没有做进内核中，内核作为一个独立的进程处理一些不仅要的任务。
• Linux的任务优先满足吞吐量，所以弱化了进程调度。但是这些年人们也在降低内核延迟上面做了很多研究，比如提出可抢占机制、实时互斥内核锁还有完全公平调度器。
• 软实时进程：类似与写CD这种工作种类的进程，就算是写进程被暂时中断也不会造成宕机之类的风险操作。
• 普通进程： 没有具体的时间约束限制，但是会分配优先级来区分重要性。

进程的生命周期

• 生命周期分为：运行、等待、休眠和终止。
• 进程的状态机由调度器来改变状态。
• 不在于周期范围内的进程:“僵尸进程”：子进程被KILL信号（SIGTERM和SIGKILL）杀死，父进程没有调用wait4()。正常流程是，子进程被KILL，父进程调用wait4系统调用，通知内核子进程已死。

• 处于僵尸进程状态进程：

  • 还会在进程表中（ps/top能刷出进程）
  • 占用很少的资源
  • 重启后才能刷掉该进程

• 抢占式多任务处理

  • 进程执行分为内核态和用户态，最大区别在于，内存地址区域访问划分不同。
  • 进内核态方法一：如果用户态进程进入内核态：访问共享数据，文件系统空间，必须通过系统调用，才能进入到内核态。
  • 进内核态方法二：中断触发进入内核态。
  • 中断触发和系统调用可以使用户态进入到内核态，但用户态是主动调用的，中断是外部触发的。
  • 用户态 < 核心态 < 中断

• 进程抢占层次：

  • 普通进程总会被抢占（kernel preemption）
  • 进程处于内核态（或者普通进程处于系统调用期间）无法被任何进程抢占，但中断可以抢占内核态，因此要求中断不能占用太长时间。
  • 优点：减少等待时间，让进程更“平滑”的执行；缺点：增加内核复杂程度。

进程的表示

Linux有一套自己对于进程管理的方式，还有调度器，调度器可以理解为真正去执行和指挥进程如何运行的东西，而管理方式可以说是调度器去管理进程的一个笔记计划表（task_structure）在include/sched.h中，这里有如何管理进程，进程命名，编号法等等。

task结构体

<sched.h>
stcuct task_struct {
// 非常多的成员
};

成员非常多，弄清楚费劲，可以分类：

• 状态和执行信息，如待决信号、进程的二进制格式种类、进程PID、父进程地址、优先级和CPU时间。
• 分配的虚拟内存信息。
• 身份凭据，如用户ID、组ID和权限等。
• 使用的文件（包括程序代码的二进制文件）
• 线程信息记录，CPU的运行时间数据。
• 与其他进程通信有关的信息。
• 该进程所用的信号处理，用于响应到来的信号。

进程状态机

<sched.h>
stcuct task_struct {
    volatile long state;
};

• TASK_RUNNING: 处于可运行状态，未必处于CPU cover时间也有可能是等待调度器的状态。
• TASK_INTERRUPTIBLE: 针对某时间或者其他资源的睡眠进程设置的。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE：用于内核指示而停用的睡眠进程。不能由外部唤醒，只能由内核亲自唤醒。
• TASK_STOPPED：进程特意停止运行，例如，由调度器暂停。
• TASK_TRACED：本来不是进程状态，用于停止的进程（ptrace机制）与常规停止进程区分开。
• EXIT_ZOMBIE：僵尸状态
• EXIT_DEAD：wait系统调用已发出，解除僵尸状态。

进程资源限制

<sched.h>
<resource.h>
struct rlimit {
    unsigned long rlim_cur;
    unsigned long rlim_max;
}
struct task_struct {
    struct rlimite limit;
};

• rlim_cur: 进程当前的资源限制，成为软限制(soft limit)
• rlim_max:该限制的最大容许值， 硬限制（hard limit）

用户进程通过setrlimit()系统调用来增减当前限制，最大值不能超过rlim_max；getrlimits()用于检查当前限制。那么设定的资源是什么呢？

cat /proc/self/limits来查看当前系统设定进程的资源限制。

Linux系统启动的时候会设定好当前资源限制的属性，在include/asm-generic/resource.h中定义进程的资源限制，在linux启动的时候通过init进程完成配置。

在init_task.h中挂载该数组。

)

然后会在各个进程中使用该变量：

进程类型

进程是由（二进制代码应用程序）、（单线程）、分配给应用程序的资源（内存、文件）。新进程是使用（fork）或者（exec）系统调用产生的。

• fork生成当前进程的副本，称为子进程，复制为两份一样的独立的进程，资源是分开的，资源都是copy的两份，不再系统上做任何关联。
• exec从一个可执行二进制加载另一个应用程序，来替代当前运行的进程。exec不是创建新的进程，首先使用fork复制一份旧的程序，然后调用exec在系统上创建一个应用程序。
• 旧版本的clone调用，原理和fork一致，可以共享父进程的一些资源。

命名空间

Linux的全局管理特性，比如PID、UID和系统调用uname返回系统的信息都是全局调用。因此就导致资源和重用的问题，在虚拟化中亟需解决。把全局资源通过命名空间抽象出来，划分不同的命名空间对应不同的资源分配，可实现虚拟化环境。

父命名空间生成多个子命名空间，子命名空间有映射关系到父命名空间。

命名空间的数据结构

#include <nsproxy.h>
struct nsproxy {
    atomic_t count;
    struct uts_namespace *uts_ns; //uts: 内核名称、版本、底层体系结构
    struct ipc_namespace *ipc_ns; //ipc: 进程间通信有关的信息
    struct mnt_namespace *mnt_ns; //已装在的文件系统的视图 stcuct mnt_namespace
    struct pid_namespace *pid_ns; //有关进程ID的信息 struct pid_namespace
    struct user_namespace *user_ns; // 保存用于限制每个用户资源使用的信息
    struct net *net_ns;// 包含所有网络相关的命名空间参数
};

创建新进程的使用使用fork可以建立一个新的命名空间，所以在fork的时候需要标记创建新的命名空间的类别。

#include <sched.h> 
#define CLONE_NEWUTS 0x04000000 /* 创建新的utsname组 */ 
#define CLONE_NEWIPC 0x08000000 /* 创建新的IPC命名空间 */ 
#define CLONE_NEWUSER 0x10000000 /* 创建新的用户命名空间 */ 
#define CLONE_NEWPID 0x20000000 /* 创建新的PID命名空间 */ 
#define CLONE_NEWNET 0x40000000 /* 创建新的网络命名空间 */

在task_struct里面有有关于命名空间的定义：

struct task_struct {
    //...
    struct nsproxy *nsproxy;
    //...
};

)

struct task_struct里面挂的是stcut nsproxy的指针，只要挂上不同命名空间的指针，就算是赋予不同的命名空间了。

NOTE: 命名空间的支持必须在编译的时候启动 General setup -> Namespaces support，而且必须逐一指定需要支持的命名空间。如果内核编译的时候没有指定命名空间的支持，默认的命名空间的作用则类似于不启用命名空间，所有的属性相当于全局的。

UTS命名空间和用户命名空间

<kernel/nsproxy.c> 
struct nsproxy init_nsproxy = INIT_NSPROXY(init_nsproxy); 

<init_task.h> 
#define INIT_NSPROXY(nsproxy) { \ 
    .pid_ns = &init_pid_ns, \ 
    .count = ATOMIC_INIT(1), \ 
    .uts_ns = &init_uts_ns, \ 
    .mnt_ns = NULL, \ 
    INIT_NET_NS(net_ns) \ 
    INIT_IPC_NS(ipc_ns) \ 
    .user_ns = &init_user_ns, \ 
}

UTS命名空间

UTS命名空间是Linux内核Namespace（命名空间）的一个子系统，主要用来完成对容器HOSTNAME和domain的隔离，同时保存内核名称、版本、以及底层体系结构类型等信息。

<utsname.h> 
struct uts_namespace { 
    struct kref kref; 
    struct new_utsname name; 
};
// 在proc中可以看到这些值
struct new_utsname { 
    char sysname[65];    //  cat /proc/sys/kernel/ostype
    char nodename[65];   
    char release[65];    //  cat /proc/sys/kernel/osrelease
    char version[65];    //  cat /proc/sys/kernel/version
    char machine[65]; 
    char domainname[65]; // cat /proc/sys/kernel/domainname
};

init/version.c 
struct uts_namespace init_uts_ns = { 
... 
    .name = { 
        .sysname = UTS_SYSNAME, 
        .nodename = UTS_NODENAME, 
        .release = UTS_RELEASE, 
        .version = UTS_VERSION,
        .machine = UTS_MACHINE, 
        .domainname = UTS_DOMAINNAME, 
    }, 
};

就一个名字和kref，引用计数器，可以跟踪内核中有多少地方使用了struct uts_namespace的实例。

用户命名空间

用户命名空间在数据结构管理方面类似于UTS：在要求创建新的用户命名空间时，则生成当前用户命名空间的一份副本，并关联到当前进程的nsproxy实例。但用户命名空间自身的表示要稍微复杂一些：

<user_namespace.h> 
    struct user_namespace { 
    struct kref kref; 
    struct hlist_head uidhash_table[UIDHASH_SZ]; 
    struct user_struct *root_user; 
};

<kernel/user_namespace.c> 
static struct user_namespace *clone_user_ns(struct user_namespace *old_ns) 
{ 
    struct user_namespace *ns; 
    struct user_struct *new_user; 
    ... 
    ns = kmalloc(sizeof(struct user_namespace), GFP_KERNEL); 
    ... 
    ns->root_user = alloc_uid(ns, 0); 
    /* 将current->user替换为新的 */ 
    new_user = alloc_uid(ns, current->uid); 
    switch_uid(new_user); 
    return ns; 
}