本篇开始将进入《Linux内核设计与实现》的阅读阶段，本书算得上是Linux内核的入门级书，通过对本书的阅读，最后将实现对Linux操作系统有大致的理解，为后续深入学习Linux系统内核做铺垫，本篇作为系列开篇，将介绍Linux的进程管理与进程调度

进程管理

进程与线程

• 进程与线程之间的区别简直就是典中典了，都被问烂了，这里我们从Linux的角度来讲解进程与线程

• 进程是操作系统分配资源的基本单位

  一个进程不单单只是这个程序，还包括这个进程被分配的内存地址空间，这个进程的进程描述符，内核中的一些数据信息等

• 线程是cpu调度的基本单位

  在Linux系统中，并没有线程这个概念，从内核看来，他们全部都是进程（部分Unix系统中会认为线程是轻量级的进程）进程线程的区别就在于进程拥有自己的独立空间；而大量线程之间会公用同一块空间

进程描述符

• 在Linux系统中，每一个进程都有一个进程描述符，这个进程描述符里面包含了一个进程的所有信息，包括进程中打开的文件，地址，文件描述符等等

• 进程描述符被放到了一个双向链表中，这个双向链表被称为任务队列（task list）

  

进程的五种状态

• 每一个进程在某一时刻都是属于以下五种状态之一
  1. TASK_RUNNING：任务运行状态，从名字看来貌似是这个任务正在运行，但是要注意的是，这个状态包含了正在运行和在运行队列中等待运行
  2. TASK_INTERRUPTIBLE：任务可中断状态，从名字上看得出来，这个状态就是可以中断状态，这个状态其实就是阻塞状态，并且会等待一定条件的完成。一旦条件完成，这个进程就会被唤醒
  3. TASK_UNINTERRUPTIBLE：这个状态下的进程和可中断状态差不多，也是需要等待一定的条件完成，但是这个状态是无法被接收到的信号打断的，这个用的不多
  4. TASK_TRACED：这个状态下的进程就意味着这个进程被监视了
  5. TASK_STOPPED：这个状态下的进程处于停止执行状态，无法投入使用

进程的创建

• 在Linux系统中，进程的创建是使用的一个fork()方法，通过这个方法会创建一个子进程，这个子进程会复制父进程中的所有资源，他们之间唯三的区别就在于子进程与父进程的PID不同；子进程与父进程的PPID不同；子进程与父进程之间的某些统计资源不同（例如挂起的信号，这没有必要继承）

• 我们知道，在Linux操作系统中，进程之间的隔离级别是非常高的，但是我们的父子进程之间却是使用的同一份资源，那么怎么实现父子进程之间的隔离呢？使用的方法就是非常有名的写时复制 Copy On Write

  写时复制是一个非常简单的机制，如果我们的父子进程之间在使用资源的时候，如果只是读这个资源，那么大家就一起和和气气地使用同一份资源；如果其中有进程想要修改这个资源的话，那么子进程就会将这份资源复制一份，然后将这个指针指向新复制的地址，这样两者之间就可以使用不同的资源了。

  写时复制的好处很多，因为父子进程之间并不是所有的资源都需要修改的，使用写时复制可以大量节约资源

• 线程的创建和进程的创建没有太大区别，我们已经说过了，在Linux角度看来，是没有线程这个概念的，在他看来全部都是进程，创建线程的时候调用的方法是clone()，只不过要传入一些参数，这些参数代表了线程和进程之间需要共享的资源（顺带一提，clone其实就是fork方法，fork是用clone实现的）

  

  

  

  通过对比参数和表格，我们可以发现，进程与线程之间共享的是：地址空间、文件系统资源、文件描述符、信号处理程序

内核线程

• 内核进程没啥好说的，就是独属于内核的线程，内核线程的诞生只能由内核线程来创建，内核线程是无法转换到用户态的

线程的死亡

• 进程死亡时会调用两个方法，一个是do_exit()和task_release()方法，这两个过程比较复杂，我们就不做过多探讨，这里主要研究的是僵尸进程和孤儿进程
• 僵尸进程：当子进程死亡后，父进程没有调用wait()方法，那么在父进程中就会维护这个子进程的PID，如同一个灵牌一样，这就是僵尸进程。僵尸进程的影响其实不是特别大，除非特别多的情况下
• 孤儿进程：当父进程死亡，子进程没有死亡，那么就会给子进程找一个养父，这个养父的第一选择是同线程组的线程，次要选择是init线程

进程调度

多任务模式

• 多任务模式就是为了能够尽可能地榨取CPU资源，让一个单核CPU产生出同时运行多个进程的错觉，多任务模式也分为两种
  1. 非抢占式：当一个进程得到了CPU资源的时候它如果不主动释放资源，那么没有一个进程可以获得资源，只能等进程自己让步（yield）这种模式异常恶心和麻烦
  2. 抢占式：一个进程执行的时间都是由调度程序（内核）来管理的，由内核来分配资源，调度程序可以在任何时间停止任何正在执行的进程，将资源分配给其他进程

进程的分类

• Linux按照进程的优先级对进程进行了分类
  1. 普通进程：普通进程使用的调度策略是CFS(2.6.23版本内核及以后)，SCHED_NORMAL
  2. 实时进程：实时进程使用的是SCHED_FIFO、SCHED_RR，这里我们要声明的是，实时进程的优先级永远高于普通进程，只要有实时进程，那么就会优先执行实时进程

Linux进程调度的发展史

• 2.4 <

  在2.4版本的内核及以前，linux的进程调度非常简单，甚至是简陋，没什么好说的

• 2.5

  2.5版本的时候，进程调度发生了改变，这个时候的进程调度叫做O(1)，这个进程调度模式非常简单，我们可以这样理解：每一个进程都有属于自己的nice值，当nic值为0的时候，这个进程拥有100ms的执行时间；当这个进程nice值为1的时候，这个进程拥有95ms的执行时间；当进程的nice值为18的时候这个进程拥有10ms执行时间；当进程nice值为19时，这个进程拥有5ms执行时间；nice值的范围是-20~19，这种算法的缺点我们一眼就看得出来，当nice值是0和1的时候，差距相当小；当nice值是18和19时，两个线程之间差距的执行时间就有2倍！

  这种模式的优缺点非常明显，对服务器友好，对客户不友好，具体原因在以前的文章中提到过，这里不做赘述

• 2.6.23

  这个版本的内核的进程调度策略就是最经典的进程调度策略，这个调度策略叫做CFS（Completely Fair Schedule）完全公平调度策略。当然，这个完全公平调度策略，也就是SCHED_NORMAL都是普通进程的调度策略。实时进程的调度策略是SCHED_FIFO、SCHED_RR

普通进程调度策略详解

• 普通进程的优先级被划分为-20~19，这个值叫做“nice”值，nice值越小，进程的优先级越高
• 内核分配CPU资源的方式是所有进程都有资格获得进程的执行机会，我们的内核会按照进程nice值的比较来分配内核的执行资源。假如我们CPU有一个10ms的执行资源，此时我们操作系统中有两个进程正在争用这个资源，那么我们就可以按照这两者的nice值之比来分配资源。
• 当然有人会提出一个说法：当线程趋近于无限大的时候，是不是每一个线程执行的时间都趋近于无限小；其实按照这个设计的思路应该是这样的，但是进程之间的切换是要消耗资源的，如果按照上面的说法的话，那么进程之间就只剩下线程切换了，这是不理想的，所以Linux内核提供了一个最短执行时间，哪怕被分配的时间没有达到这么大，那么也会执行这么长的时间，这个时间片是1ms
• 当然，我们上面提到的只是普通进程的单个执行时间，那么进程调度程序如何挑选下一个应该执行的进程呢？这里面引入了一个虚拟执行时间的概念（vruntime），每一个进程自己每一次的执行时间都会被累加下来，这个时间值叫做vruntime，Linux内核每一次都会挑选vruntime最短的进程来执行
• 以上就是普通进程的CFS调度策略，也是SCHED_NORMAL

实时进程调度策略

• 实时进程的调度策略非常简单，首先，实时进程也有优先度的区分，区分是0~99，和普通进程不同的是，普通进程的nice值越小，优先级越高；实时进程的优先值越高，优先度越高
• 内核在分配资源的时候，会让所有的实时进程都优先执行（优先于普通进程），而实时进程之间也是有优先级区别，那么就会优先执行优先度高的，直到优先度高的先执行完毕，后面再执行优先度低的，这个调度策略叫做SCHED_FIFO；如果两个实时进程之间的优先度一样，那么执行的策略就是轮询，两者平分CPU资源，这个调度策略叫做SCHED_RR

休眠与唤醒

• 在Linux系统中，并不是所有的线程都是想要执行的，某一些线程有可能正在等待同步资源，在得到同步资源之前是不需要CPU的执行资源的，这种进程就可以被放置到等待队列中，此时这个进程的状态就是TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE。这就是对CPU资源的合理利用
• 当一个进程满足了唤醒条件之后就会被唤醒，唤醒之后的进程是需要与当前正在执行的进程进行优先级的比较的