進程的詳細解釋

進程的詳細解釋

進程的定義

  • 狹義定義:進程是正在運行的程序的實例
  • 廣義定義:進程是一個具有一定獨立功能的程序關於某個數據集合的一次運行活動。它是操作系統動態執行的基本單元,在傳統的操作系統中,進程既是基本的分配單元,也是基本的執行單元
  • 通俗的觀念:程序的一個執行實例,或正在執行的程序。
  • 內核的觀點:擔當分配系統資源(CPU時間和內存)的實體。
  • 進程就是操作系統的描述,這個描述叫PCB(進程控制塊),Linux下PCB有自己的名字叫task_struct.而操作系統就是使用task_struct結構體描述進程,使用雙向鏈表來將這些結構體組織起來進行管理

操作系統引入進程的概念的原因:

  • 從理論角度看,是對正在運行的程序過程的抽象;
  • 從實現角度看,是一種數據結構,目的在於清晰地刻畫動態系統的內在規律,有效管理和調度進入計算機系統主存儲器運行的程序。

描述進程-PCB(進程控制塊)

  • 操作系統是如何運行計算機上的這麼多資源呢?這個要說一下cpu的分時處理機制,也就是說,每一個應用軟件只在計算機上處理很短的一段時間(稱之爲時間片),處理完之後就切換到下一個程序,那麼問題來了,剛纔處理的程序就會被覆蓋掉了,走了一圈再回來的時候,就找不到第一個處理的程序了,那怎麼辦呢?我們可以通過先描述再組織的這種思路進行管理
  • 進程信息被放在一個叫做進程控制塊的數據結構中,可以理解爲進程屬性的集合。
  • 課本上稱之爲PCB(process control block),Linux操作系統下的PCB是: task_struct
  • 進程實際上就是一個運行中的程序的描述,也就是pcb,通過這個描述可以實現一個程序的運行調度管理
  • pcb就是描述程序運行的一堆數據,也是放在內存中的

task_struct-PCB的一種

  • 在Linux中描述進程的結構體叫做task_struct。
  • task_struct是Linux內核的一種數據結構,它會被裝載到RAM(內存)裏並且包含着進程的信息。

task_ struct內容分類

  • 標示符: 描述本進程的唯一標示符,用來區別其他進程。
  • 狀態: 任務狀態,退出代碼,退出信號等。
  • 優先級: 相對於其他進程的優先級。
  • 程序計數器: 程序中即將被執行的下一條指令的地址。
  • 內存指針: 包括程序代碼和進程相關數據的指針,還有和其他進程共享的內存塊的指針
  • 上下文數據: 進程執行時處理器的寄存器中的數據[休學例子,要加圖CPU,寄存器]。
  • I/O狀態信息: 包括顯示的I/O請求,分配給進程的I/O設備和被進程使用的文件列表。
  • 記賬信息:包括處理器的時間總和,記賬號等等。

操作系統對進程的控制就是通過對上面的這些元素的控制來控制操作系統的,但這些信息都不是單獨存放的,而是存放在一個叫做PCB(進程控制塊)數據結構中,這個數據結構是一種結構體,由操作系統創建和管理,這個結構體的名稱就是 task_struct,下面我們就通過了解一下task_struct來看一看操作系統是怎麼通過進程控制塊來對進程進行控制和調度的吧

struct task_struct
{
 //說明了該進程是否可以執行,還是可中斷等信息
    volatile long state; 
 //Flage 是進程號,在調用fork()時給出
 unsigned long flags; 
 //進程上是否有待處理的信號
 int sigpending;  
 //進程地址空間,區分內核進程與普通進程在內存存放的位置不同
 mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead 
      //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
                       
 //調度標誌,表示該進程是否需要重新調度,若非0,則當從內核態返回到用戶態,會發生調度
 volatile long need_resched;
 //鎖深度
 int lock_depth; 
 //進程的基本時間片
 long nice;      

 //進程的調度策略,有三種,實時進程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分時進程:SCHED_OTHER
 unsigned long policy;
 //進程內存管理信息
 struct mm_struct *mm;
 
 int processor;
 //若進程不在任何CPU上運行, cpus_runnable 的值是0,否則是1 這個值在運行隊列被鎖時更新
 unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
 //指向運行隊列的指針
 struct list_head run_list;
 //進程的睡眠時間
 unsigned long sleep_time; 

 //用於將系統中所有的進程連成一個雙向循環鏈表, 其根是init_task
 struct task_struct *next_task, *prev_task;
 struct mm_struct *active_mm;
 struct list_head local_pages;       //指向本地頁面     
 unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
 struct linux_binfmt *binfmt;  //進程所運行的可執行文件的格式
 int exit_code, exit_signal;
 int pdeath_signal;     //父進程終止是向子進程發送的信號
 unsigned long personality;
 //Linux可以運行由其他UNIX操作系統生成的符合iBCS2標準的程序
 int did_exec:1;
 pid_t pid;    //進程標識符,用來代表一個進程
 pid_t pgrp;   //進程組標識,表示進程所屬的進程組
 pid_t tty_old_pgrp;  //進程控制終端所在的組標識
 pid_t session;  //進程的會話標識
 pid_t tgid;
 int leader;     //表示進程是否爲會話主管
 struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
 struct list_head thread_group;   //線程鏈表
 struct task_struct *pidhash_next; //用於將進程鏈入HASH表
 struct task_struct **pidhash_pprev;
 wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
 struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
 unsigned long rt_priority; //實時優先級,用它計算實時進程調度時的weight值
 //it_real_value,it_real_incr用於REAL定時器,單位爲jiffies, 系統根據it_real_value

 //設置定時器的第一個終止時間. 在定時器到期時,向進程發送SIGALRM信號,同時根據

 //it_real_incr重置終止時間,it_prof_value,it_prof_incr用於Profile定時器,單位爲jiffies。

 //當進程運行時,不管在何種狀態下,每個tick都使it_prof_value值減一,當減到0時,向進程發送

 //信號SIGPROF,並根據it_prof_incr重置時間.
 //it_virt_value,it_virt_value用於Virtual定時器,單位爲jiffies。當進程運行時,不管在何種

 //狀態下,每個tick都使it_virt_value值減一當減到0時,向進程發送信號SIGVTALRM,根據

 //it_virt_incr重置初值。

 unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
 unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
 struct timer_list real_timer;   //指向實時定時器的指針
 struct tms times;      //記錄進程消耗的時間
 unsigned long start_time;  //進程創建的時間

 //記錄進程在每個CPU上所消耗的用戶態時間和核心態時間
 long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
 //內存缺頁和交換信息:

 //min_flt, maj_flt累計進程的次缺頁數(Copy on Write頁和匿名頁)和主缺頁數(從映射文件或交換

 //設備讀入的頁面數); nswap記錄進程累計換出的頁面數,即寫到交換設備上的頁面數。
 //cmin_flt, cmaj_flt, cnswap記錄本進程爲祖先的所有子孫進程的累計次缺頁數,主缺頁數和換出頁面數。

 //在父進程回收終止的子進程時,父進程會將子進程的這些信息累計到自己結構的這些域中
 unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
 int swappable:1; //表示進程的虛擬地址空間是否允許換出
 //進程認證信息
 //uid,gid爲運行該進程的用戶的用戶標識符和組標識符,通常是進程創建者的uid,gid

 //euid,egid爲有效uid,gid
 //fsuid,fsgid爲文件系統uid,gid,這兩個ID號通常與有效uid,gid相等,在檢查對於文件

 //系統的訪問權限時使用他們。
 //suid,sgid爲備份uid,gid
 uid_t uid,euid,suid,fsuid;
 gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
 int ngroups; //記錄進程在多少個用戶組中
 gid_t groups[NGROUPS]; //記錄進程所在的組

 //進程的權能,分別是有效位集合,繼承位集合,允許位集合
 kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;

 int keep_capabilities:1;
 struct user_struct *user;
 struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //與進程相關的資源限制信息
 unsigned short used_math;   //是否使用FPU
 char comm[16];   //進程正在運行的可執行文件名
 //文件系統信息
 int link_count, total_link_count;

 //NULL if no tty 進程所在的控制終端,如果不需要控制終端,則該指針爲空
 struct tty_struct *tty;
 unsigned int locks;
 //進程間通信信息
 struct sem_undo *semundo;  //進程在信號燈上的所有undo操作
 struct sem_queue *semsleeping; //當進程因爲信號燈操作而掛起時,他在該隊列中記錄等待的操作
 //進程的CPU狀態,切換時,要保存到停止進程的task_struct中
 struct thread_struct thread;
   //文件系統信息
 struct fs_struct *fs;
   //打開文件信息
 struct files_struct *files;
   //信號處理函數
 spinlock_t sigmask_lock;
 struct signal_struct *sig; //信號處理函數
 sigset_t blocked;  //進程當前要阻塞的信號,每個信號對應一位
 struct sigpending pending;  //進程上是否有待處理的信號
 unsigned long sas_ss_sp;
 size_t sas_ss_size;
 int (*notifier)(void *priv);
 void *notifier_data;
 sigset_t *notifier_mask;
 u32 parent_exec_id;
 u32 self_exec_id;

 spinlock_t alloc_lock;
 void *journal_info;
 };
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