進程、輕量級進程（LWP）、線程
- 進程：程序執行體，有生命期，用來分配資源的實體
- 線程：分配CPU的實體。
- 用戶空間實現，一個線程阻塞，所有都阻塞。
- 內核實現，不會所用相關線程都阻塞。用LWP實現，用線程組表示這些線程邏輯上所屬的進程。
進程描述符
- 進程描述符（簡稱pd, process descriptors），結構體是：task_struct
- 數據較多，存放在kenerl的動態內存空間。
- pd的引用放在thread_info中，
- thread_info與內核棧，放在一個8K空間（它的地址8K對齊）。內核程序使用的棧空間很小。
- thread_info在底部，內核棧在頂部向下增長。
- 好處：多CPU時方便，每個CPU根據自己的棧指針就可以找到當前的pd （以後用current表示當前CPU運行的進程描述符）。
- esp(內核棧指針)低8位置零，就是thread_info地址。
- 每進程有自己的thread_info, (分配釋放函數: alloc_thread_info, free_thread_info)
- 描述符的內容
- 相關的ID （一個4元素數組）
- 進程ID （PID）
- PID按創建順序連續增長，到最大值後從最小值開始。
- 0號進程：交換進程（swapper）
- 有PID可用位圖，表示那一個PID可用，至少佔一個頁。
- 線程組ID（tgid），用LWP實現多線程支持
- 多進程時，進程id，就是線程組id, 也就是組長的pid（LWP）。 getpid() 取的是線程組的id(tgid), 也是組長的pid.
- 單線程時，pid = gid。所以getpid,也是真正的pid.
- 進程組ID(pgrp)。
- 回話的ID(session).
- 組ID，都是組長的PID。FIXME: 但pb也有各組長的PID
- 線程組長：tgid
- 進程組長：signal->pgrp ，
- 會話長：signal->session
- 管理ID數據結構——哈希表管理 (利用id找到所用相關的pd，方便)。
- 一個哈希表數組(pid_hash),存放四個哈希表， 每一個表代表一類id (pid, tgid, pgrp, session)
- 每個哈希表的由數組（索引爲哈希值）和二維鏈表(嵌入到進程描述符內的pids中)實現
- 第一維鏈表：哈希衝突鏈表。
- 第二維鏈表：要查找的值相同的鏈表, 叫per-PID list（同一組的所有線程，同一組的所有進程，同一會話的所有進程）；
- 進程組ID（pgrp）, 回話ID（session）在共享信號的數據結構裏。因爲同一進程內的所有LWP,這兩個ID都是一樣的
-
- 家族關係：由pd裏的鏈表（下級）和pd指針（上級）實現
- 關係：
- 親生父親：創建自己的進程，或是託孤進程（創建自己的進程死了）。
- 父親：自己死時要發信號告知的。一般是親生父親，有時是監控自己的進程 （調用ptrace）
- 孩子：
- 兄弟：
- 監控（自己起的名字，類似於監護。由於管理方式相同，也歸爲家族關係）
- 監控的進程列表:ptrace_children
- 被監控的其他進程：ptrace_list (類似於被監控的兄弟)
- 在鏈表裏爲了管理方便：
- 最大兒子的兄弟是父親
- 最小兒子的弟弟也是父親
- 父親保管最大兒子，和最小兒子
-
- 進程資源及資源限制：
- CPU相關：
- 內存相關：
- 進程地址空間
- 鎖住內存大小
- 進程頁數 （只有記錄，沒有限制）
- 堆大小，棧大小
- 資源相關：
- 文件：
- core dump大小
- 最大文件大小
- 打開文件個數
- 進程同步與通信
- 相關數據結構 和 處理流程
- pd->sigal->rlim 是一個表示進程資源使用情況以及限制的結構 的數組。
- 表示進程資源使用情況以及限制的結構:包含當前值，最大值兩個數值。
- 只有超級用戶才能增大資源限制。
- 一般用戶登陸時：
- kernel創建root進程，減少limit,
- 建一個 shell子進程，繼承limit.
- 把shell進程的用戶，改成登陸的那個用戶
-
- 進程狀態（state）
- 運行，TASK_RUNNING
- 阻塞
- 可中斷阻塞，TASK_INTERRUPTIBLE
- 不可中斷阻塞，TASK_UNINTERRUPTIBLE
- 可被硬件中斷，“釋放資源”事件，喚醒。
- 但不能被信號喚醒。可用於驅動程序中。
- 組織pb的結構：等待列隊： 每一類事件一個列隊，用內嵌鏈表實現（雖然沒列出內嵌鏈表節點）
- 列隊頭：
- 列隊節點：
- 獨佔標誌：表示該進程是否要獨佔資源 （不再喚醒別的進程）
- 指向pd的指針
- 用於喚醒進程的回調函數。（提供進程的執行機會，是否操作等待列隊由用戶決定）
- 停止
- 停止TASK_STOPPED
- 追蹤TASK_TRACED
- 該進程被一個調試進程監控以後，收到任何一個信號就進入該狀態
- 組織pb的結構：FIXME: 信號的等待列隊？
- 退出
- 退出_殭屍EXIT_ZOMBIE
- 進程終止，資源沒有被回收（父進程要用，沒有調wait系列函數）
- 退出_死亡EXIT_DEAD
- 進程終止，資源正在被回收（父進程要用，沒有調wait系列函數）。
- 一旦資源回收完成，進程描述符也就被回收了。
- 它防止該進程再次被wait.
- 組織pb的結構：不掛到隊列上，只在家族關係中，等待父進程收回資源
進
程控制 ：
- 阻塞（current阻塞到某個列隊上）：
- 基本流程
- 臨時生成一個列隊節點，初始化。
- 改變current的狀態，放入節點，掛到列隊上。
- 調度 （=====》至此，阻塞完成。 一旦被別的進程喚醒====》從調度函數中返回）
- 從等待列隊上摘除節點。
- 變化：
- 將掛列隊、調度、從列隊刪除三步拆開，便於靈活處理。
- 可中斷的、限時、獨佔的函數類似。只不過進程狀態、調度函數、獨佔標誌不同。
- 非獨佔的從列隊開始添加，獨佔的從末尾添加。（但一個列隊內既有獨佔的，又有非獨佔的等待進程，很少見）
- 喚醒：
- 基本流程
- 喚醒一個進程：調用節點裏的回調函數
- 喚醒的時候從列隊開頭依次喚醒，直到喚醒一個獨佔的後停止。
- 變化
- 是否只喚醒可中斷的進程. （_interruptible後綴）
- 喚醒的獨佔進程的數目（1個，多個（_nr後綴），所有（_all後綴））
- 喚醒後是否不檢查優先級，馬上給予CPU （有_sync的不檢查優先級）。
- 進程切換
- 切換pgd (全局頁目錄)，此章不討論。
- 切換內核棧，硬件上下文
- 硬件上下文，就是CPU的寄存器。
- 一部分（大多數CPU寄存器（除了通用寄存器））在pd中保存(task_struct->thread, 類型是thread_struct)，
- 一部分（通用寄存器）保存在內核棧中.
- 原來用硬件指令（）保存CPU信息。後來改成軟件（一個個MOV指令）
- 容易控制，可以挑選信息保存，便於優化。不保存的做其他用（如：進程間傳遞）
- far jmp：跳至目標進程的TSSD。而linux是每個CPU一個TSS，不是每進程一個
- 對於一些寄存器（ds、es）可以檢查值。
- 與用硬件指令保存時間差不多。
- switch_to 宏
- 三個參數:
- prev: 要換走的進程，一般是當前進程
- next: 要換到的進程。
- last: 傳出參數。當前進程再次被換到時，最後一個佔用CPU的進程。（prev指向的進程 就是 next指向的進程 的last）
- 步驟：
- 棧切換, 完成後就是在新進程的上執行了:
- 保存prev（放在eax）
- eflags，ebp入內核棧；
- 保存並裝載新的esp （舊的esp放到prev->thread.esp，新的esp是next->thread.esp）
- 此時current就是新的esp所指的thread_info內的task指針
- 設置返回地址:
- prev進程以後得到執行時的__switch_to的返回地址: __switch_to後的第一條指令, 放入prev->thread.eip,
- 準備next進程的從__switch_to返回的地址: next->thread.eip入棧.
- 調用__switch_to ()函數，該函數動作如下：
- 更新CPU的相關信息(tss和gdt):
- 存next->thread.esp0(內核棧低)到本地TSS.esp0中。
- 所在CPU的全局段表裏的TLS段, 設成next進程的.
- 更新tss的I/O位圖.
- 更新CPU的寄存器(pd->thread (tss) 與 CPU寄存器交換數據):
- 保存FPU, MMX, XMM寄存器, 先不裝載以後需要時通過中斷裝載(TODO: )
- 保存prev的fs, gs寄存器. 裝載next的
- 裝載next的debug寄存器(debug寄存器一個8個, 進程切換時只需6個)
- 返回
- prev放入eax (prev就是新進程的last)
- ret
- ret返回的地址: (__switch_to之前被存入棧中, __switch_to ret時進入eip)
- 如果是next新進程, next->thread.eip是iret_from_fork.
- 如果next不是新進程:
- 彈出ebp, elfags
- 把eax放入last變量 (prev就是next進程的last)
- 任務狀態段（一個存CPU狀態的數組，tss_struct init_tss[]）
- 每個CPU用段上的一個元素。（FIXME: 用於：用戶模式要進入內核模式時，設置相應寄存器）
- TSS上存內核棧地址。CPU上的程序從用戶模式轉到內核模式，設置esp。
- TSS存I/O端口許可位圖。用戶模式程序用到I/O時，檢查有無權限
- 所以，進程切換時，要保存的寄存器在pd->thread中。
- thread_struct不是thread_info。thread_info中只有少量的數據或指針, 用於通過esp快速定位數據
- 進程切換時，更新TSS上的信息。
- CPU控制單元再從TSS上取需要的信息。
- 即反應了CPU的當前進程情況，又不需要維護所有進程的狀態數據。
- TSS的描述符在GDT裏。
- TSSD：任務狀態段描述符 （其實應該叫任務狀態描述符，每個TSSD，表示一個CPU的狀態, FIXME: ：具體以源碼爲準）
- CPU原始設計，每個進程一個TSS元素。
- linux設計，每個CPU一個TSS元素。
- cpu裏的tr寄存器，保存着自己的TSSD（即init_ttss[cpu_id]），不用總上gdt裏去取。
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