操作系统（五）

操作系统（五）

UNIX进程模型的基本结构和工作过程

1，proc 结构数组和user结构
对于每个进程，除程序代码（在UNIX中成为正文段）、数据区、栈外、每个进程的进程管理信息都存放在proc结构中，每个进程有一个proc结构和一个user结构。proc结构中存储进程不在运行态时核心也需要的东西（例如进程优先级，核心每次进行调度时可能需要查看许多进程的优先级）。所有的进程信息放在一起形成proc结构数组，放在核心数据区中。user结构中存放该进程不再运行态时核心通常不需要的信息，user结构存放在进程相应的数据段中。
2，进程的用户态和核心态
除进程0外，每个进行进程都在两种状态之一运行：核心态和用户态。当一个进程在用户态下运行而发生中断或陷入时便进入核心态。一个进程在两种不同状态下有不同特权，不同地址空间，不同的栈，不同的栈指针。它们惟一的共同点是有相同的proc结构和user结构。
3,进程终止和zombie进程
内核为每个终止子进程保存了一定量的信息，当该终止子进程的父进程调用wait活waitpid时，可以得到这些信息。这些信息至少包括进程ID、该进程的终止状态以及该进程使用的CPU时间总量。在UNIX术语中，一个已经终止、但是其父进程尚未通过wait或waitpid时来获取其信息的进程，称为僵死进程。ps命令将僵死进程的状态显示为Z。如果父进程在子进程前终止，则init进程（1号进程）就成为这些子进程的父进程（这些子进程由init进程领养）。

Linux初始过程和进程层次

进程表中的task（0）和task（1）在linux中是特别的进程，task（0）即是inittask，是系统启动时第一个产生的进程，扮演一个特殊角色。task（1）即为pid为1的进程，是linux系统中的第一个真正的进程。因为它通常执行init程序，所以也成为init进程。在系统启动后，0号进程只负责无助的系统时间的使用。即空转进程（idel process）。因此在调用等过程中需扫描进程表链接时，它通常被跳过。

Linux进程表和任务结构

在linux中进程又称任务。进程表（process table）是由NR_TASKS个task结构组成的静态数组：
struct task_struck *task[NR_TASKS];
每个进程在进程表中占有一项（一个task_struct结构）。在该表中，所有进程通过一个双向环形链相接，链头由外部变量init_task指定。

Linux进程状态

Linux中，一个任务可能处于以下几种状态之一（这些状态间的关系如图2.24所示）：
（1）运行态（running）：该任务是active的，而且正在非特权的用户方式下运行。该状态只能通过中断或者系统调用退出，进入特权系统方式，激活相应中断处理例程。
（2）中断处理状态（interrupt routing）：当硬件发出一个中断信号时，中断处理例程被激活。该状态对应的state取值为TASK_RUNNING。
（3）系统调用期间（system call）：系统调用通过软件中断启动。一个系统调用可能将相应进程挂起等待一个事件。此状态对应的state取值为TASK_RUNNING(若此状态包含等待态，则对应的取值为TASK_INTERRUPTIBLE)。
（4）等待态（waiting）：进程在等待一个外部事件，只有在这个事件发生后，进程才能继续工作。
（5）从系统调用返回（return from system call）：每个系统调用后自动进入该状态，每个中断处理完毕后也自动进入该状态。在该状态下，要查看是否需要调用调度程序，是否有信号需要处理。调度程序可能将该进程切换为就绪态，同时激活另一个进程。
（6）就绪态（ready）：处于此状态的进程正在竞争处理机，但处理机正被另一个进程占用。
从理论上来讲，上述进程状态应该一一对应实际实现任务结构中的state取值，但是出于一些现实的考虑，state的取值与上述状态划分并不一致。

Linux中断处理机制

linux中断处理具有快中断和慢中断两种机制，这两种中断处理过程的区别主要有以下3点：
1）慢中断处理最初保存现场时，需要保存所有的寄存器值。而快中断处理最初保存现场时，只需要保存那些被常规C函数修改的寄存器的值（如果在中断处理例程中用到汇编代码，则其余寄存器也必须保存和恢复）。
2）慢中断处理时，通常不屏蔽其他中断，而快中断处理时，通常要屏蔽其他所有的中断。
3）慢中断处理完毕后，通常不立即返回被中断大的进程，而是调用调度程序，调度程序的调度结果不一定是被中断的过程，因此这种情况被成为抢先式中断。而快中断处理完毕后，通常恢复现场返回被中断的进程急促执行，称为非抢先式调度或非抢先式中断。慢中断是最常见的中断，而快中断则通常用于短时间的，不太复杂的中断处理任务。

Linux 进程调度算法

在linux中，CPU调度算法可由用户通过宏定义来选择。可选的算法包括先来先服务，时间片轮转等。Linux中还经常使用不设进程就绪队列的进程动态优先级算法。进程调度子程序schedule总是选择动态优先级最高的进程来使用CPU。
进程动态优先级调度算法有很多种，取决于动态优先级的具体含义：Linux中对进程动态优先级——task_struck结构中的counter分量的定义是：在抢先式中断调度前该进程还能运行的时间。这个时间的单位是tick。在Linux中，一个tick是10ms。
counter的值是如何产生和变化的，这与task_struct中的另一个分量priority（进程静态优先级）有关。进程静态优先级priority是在进程建立时从父进程继承来的，在一个进程整个运行期间其值保持不变，除非用户通过系统调用nice（）或setpriority()来设置。进程建立时，进程动态优先级的值也是在父进程继承来的。此后在该进程存在期间，每当时钟中断发生时，当前进程的counter会减1。该递减过程在两情况下停止。
1）当进程counter值递减到0时，进程就会在时钟中断处理过程中被迫从运行态进入就绪态。但系统中处于就绪态的进程，其进程动态优先级并不一定为0。从运行态进入就绪态的进程，其动态优先级会一直保持为０，直到系统中所有的就绪态进程的动态优先级都为０。再在调度程序中为各个进程重新设计动态优先级，按照动态优先级的大小依次进入运行态运行。
2)对于处在运行态的当前进程，可能在counter值还没递减到０时，进程需要等待某个事件的发生而进入了登等待状态，处于等待态的进程，其优先级可能逐渐增加，也可能保持不变，但是不会减少。
当所有的进程的动态优先级都降为０，重新计算所有的进程的动态优先级，所有就绪进程的动态优先级都被设为进程的静态优先级。需要注意的有３点：１）并不是当一个进程的动态优先级递减为０进入就绪态之后就马上修改成为静态优先级，而是当所有的进程的静态优先级都递减为０时才一起这样做。２）所有的进程都参与了重新计算，包括所有的就绪态进程和等待态进程。３）并不是直接将静态优先级的值赋给动态优先级，而是利用一个特殊的计算公式。
p->counter = (p->counter>>1) + p->priority //p 为每个进程的task结构
这个公式的含义是：对于每个进程，将该进程的动态优先级的值右移一位，再加上该进程ＩＤ的静态优先级的值。对于就绪态的进程来说，这个公式的含义就是直接赋值。但对处于等待态的进程来说，这个公式意味着两点：等待态的进程的动态优先级会高于其静态优先级，但是不会比起静态优先级的两倍更大。