Linux 進程管理剖析

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

Linux 是一種動態系統，能夠適應不斷變化的計算需求。Linux 計算需求的表現是以進程 的通用抽象為中心的。進程可以是短期的（從命令行執行的一個命令），也可以是長期的（一種網路服務）。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並不見得總是理想的。

在用戶空間，創建進程可以採用幾種方式。可以執行一個程序（這會導致新進程的創建），也可以在程序內，調用一個 fork 或 exec 系統調用。fork 調用會導致創建一個子進程，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，然後來看看進程創建和調度的各種方式（在一個或多個處理器上），最後介紹進程的銷毀。

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據，此外，還包含了大量的其他數據用來統計（accounting）和維護與其他進程的關係（父和子）。對 task_struct 的完整介紹超出了本文的範圍，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 位於 ./linux/include/linux/sched.h。

				  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，比如執行的狀態、堆棧、一組標誌、父進程、執行的線程（可以有很多）以及開放文件。我稍後會對其進行詳細說明，這裡只簡單加以介紹。state 變數是一些表明任務狀態的比特位。最常見的狀態有：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。這些標誌的完整列表可以在 ./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建（PF_STARTING）或退出（PF_EXITING），或是進程當前是否在分配內存（PF_MEMALLOC）。可執行程序的名稱（不包含路徑）佔用 comm（命令）欄位。

每個進程都會被賦予優先順序（稱為 static_prio），但進程的實際優先順序是基於載入以及其他幾個因素動態決定的。優先順序值越低，實際的優先順序越高。

tasks 欄位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 欄位表示。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化）。

thread_struct 則用來標識進程的存儲狀態。此元素依賴於 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行上下文切換后的存儲（硬體註冊表、程序計數器等）。

進程管理

最大進程數 在 Linux 內雖然進程都是動態分配的，但還是需要考慮最大進程數。在內核內最大進程數是由一個稱為 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 文件系統從用戶空間更改此值。

現在，讓我們來看看如何在 Linux 內管理進程。在很多情況下，進程都是動態創建並由一個動態分配的 task_struct 表示。一個例外是 init 進程本身，它總是存在並由一個靜態分配的 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表。循環表非常適合於對任務列表進行迭代。由於列表是循環的，沒有頭或尾；但是由於 init_task 總是存在，所以可以將其用作繼續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，它會迭代任務列表並會提供有關每個任務的少量信息（name、pid 和 parent 名）。注意，在這裡，此模塊使用 printk 來發出結果。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）。

				  #include <linux/kernel.h>  #include <linux/module.h>  #include <linux/sched.h>    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。

				  obj-m += procsview.o    KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build  PWD := $(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，這裡有一個空閑任務（稱為 swapper）和 init 任務（pid 1）。

Nov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.873310] *** swapper [0] parent swapper  Nov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.904182] *** init [1] parent swapper  Nov 12 22:19:51 mtj-desktop kernel: [8503.904215] *** kthreadd [2] parent swapper  Nov 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 函數是在 insmod 命令執行的上下文運行的。current 符號實際指的是一個函數（get_current）並可在一個與 arch 有關的頭部中找到（比如 ./linux/include/asm-i386/current.h 內找到）。

進程創建

系統調用函數 您可能已經看到過系統調用的模式了。在很多情況下，系統調用都被命名為 sys_* 並提供某些初始功能以實現調用（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。

讓我們不妨親自看看如何從用戶空間創建一個進程。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於一個名為 do_fork 的函數來創建新進程。在創建內核線程時，內核會調用一個名為 kernel_thread 的函數（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c），此函數執行某些初始化後會調用 do_fork。

創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 的內核函數的系統調用（參見 ./linux/arch/i386/kernel/process.c）。函數關係如圖 1 所示。

從圖 1 中，可以看到 do_fork 是進程創建的基礎。可以在 ./linux/kernel/fork.c 內找到 do_fork 函數（以及合作函數 copy_process）。

do_fork 函數首先調用 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 標誌以做好執行 fork 操作的準備。之後 do_fork 函數還會調用 copy_process，向其傳遞這些標誌、堆棧、註冊表、父進程以及最新分配的 PID。

新的進程在 copy_process 函數內作為父進程的一個副本創建。此函數能執行除啟動進程之外的所有操作，啟動進程在之後進行處理。copy_process 內的第一步是驗證 CLONE 標誌以確保這些標誌是一致的。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建一個新任務。要了解有關 LSM 在 Security-Enhanced Linux (SELinux) 上下文中的更多信息，請參見 參考資料 小節。

接下來，調用 dup_task_struct 函數（在 ./linux/kernel/fork.c 內），這會分配一個新 task_struct 並將當前進程的描述符複製到其內。在新的線程堆棧設置好后，一些狀態信息也會被初始化，並且會將控制返回給 copy_process。控制回到 copy_process 后，除了其他幾個限制和安全檢查之外，還會執行一些常規管理，包括在新 task_struct 上的各種初始化。之後，會調用一系列複製函數來複制此進程的各個方面，比如複製開放文件描述符（copy_files）、複製符號信息（copy_sighand 和 copy_signal）、複製進程內存（copy_mm）以及最終複製線程（copy_thread）。

之後，這個新任務會被指定給一個處理程序，同時對允許執行進程的處理程序進行額外的檢查（cpus_allowed）。新進程的優先順序從父進程的優先順序繼承后，執行一小部分額外的常規管理，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 函數通過調用 wake_up_new_task 來修復此問題。此函數（可在 ./linux/kernel/sched.c 內找到）初始化某些調度程序的常規管理信息，將新進程放置在運行隊列之內，然後將其喚醒以便執行。最後，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

存在於 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範圍，但 Linux 調度程序維護了針對每個優先順序別的一組列表，其中保存了 task_struct 引用。任務通過 schedule 函數（在 ./linux/kernel/sched.c 內）調用，它根據載入及進程執行歷史決定最佳進程。在本文的 參考資料 小節可以了解有關 Linux 版本 2.6 調度程序的更多信息。

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 函數的調用。不管進程如何退出，進程的結束都要藉助對內核函數 do_exit（在 ./linux/kernel/exit.c 內）的調用。此過程如圖 2 所示。

do_exit 的目的是將所有對當前進程的引用從操作系統刪除（針對所有沒有共享的資源）。銷毀的過程先要通過設置 PF_EXITING 標誌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 函數執行釋放進程所需的各種統計，這之後，通過調用 exit_notify 執行一系列通知（比如，告知父進程其子進程正在退出）。最後，進程狀態被更改為 PF_DEAD，並且還會調用 schedule 函數來選擇一個將要執行的新進程。請注意，如果對父進程的通知是必需的（或進程正在被跟蹤），那麼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新和優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。有關這些創新及其前景的更多信息，請參見 參考資料。（責任編輯：A6）