Linux的進程線程及調度的概念是什么

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1 進程概念

1.1 進程與線程的定義

操作系統中的經典定義： 進程：資源分配單位。 線程：調度單位。 操作系統中用PCB(Process Control Block, 進程控制塊)來描述進程。Linux中的PCB是task_struct結構體。

1.2 進程生命周期

1.2.1 進程狀態

R, TASK_RUNNING：就緒態或者運行態，進程就緒可以運行，但是不一定正在占有CPU S, TASK_INTERRUPTIBLE：淺度睡眠，等待資源，可以響應信號，一般是進程主動sleep進入的狀態 D, TASK_UNINTERRUPTIBLE：深度睡眠，等待資源，不響應信號，典型場景是進程獲取信號量阻塞 Z, TASK_ZOMBIE：僵尸態，進程已退出或者結束，但是父進程還不知道，沒有回收時的狀態 T, TASK_STOPED：停止，調試狀態，收到SIGSTOP信號進程掛起

1.2.2 進程創建與消亡相關API

1） system() 通過調用shell啟動一個新進程

2） exec() 以替換當前進程映像的方式啟動一個新進程

3） fork() 以復制當前進程映像的方式啟動一個新進程，子進程中fork()返回0，父進程fork()返回為子進程ID。

4） wait() 父進程掛起，等待子進程結束。

5） 孤兒進程與僵尸進程 孤兒進程：一個父進程退出，而它的一個或多個子進程還在運行，那么那些子進程將成為孤兒進程。孤兒進程將被init進程(進程號為1)所收養，并由init進程對它們完成狀態收集工作。孤兒進程不會浪費資源。 僵尸進程：一個進程使用fork創建子進程，如果子進程退出，而父進程并沒有調用wait或waitpid獲取子進程的狀態信息，那么子進程的進程描述符仍然保存在系統中。這種進程稱之為僵尸進程。僵尸進程浪費系統資源（進程描述符task_struct存在，進程占用的資源被回收，不存在內存泄漏，實際上基本不浪費系統資源，參宋寶華的課程）。 避免僵尸進程： 僵尸進程產生原因： 1、子進程結束后向父進程發出SIGCHLD信號，父進程默認忽略了它； 2、父進程沒有調用wait()或waitpid()函數來等待子進程的結束。 避免僵尸進程方法： 1、父進程調用wait()或者waitpid()等待子進程結束，這樣處理父進程一般會阻塞在wait處而不能處理其他事情。 2、捕捉SIGCHLD信號，并在信號處理函數里面調用wait函數，這樣處理可避免1中描述的問題。 3、fork兩次，父進程創建兒子進程，兒子進程再創建一個孫子進程，然后兒子進程自殺，孫子進程成為孤兒進程被init進程收養。

1.3 進程間通信

1） 信號 信號這里指的是事件。比如按CTRL-C組合鍵會發送SIGINT信號，進程里可以捕捉到這個信號進行相應處理。

2） 管道PIPE 一切皆文件，管道的操作也是類似文件的操作。 popen()函數類似于fopen()函數，返回的是對象指針。 pipe()函數類似于open()函數，返回的是對象描述符。 管道是在親屬進程(同一父進程創建出的相關進程)之間進行數據傳輸的。

3） 命名管道FIFO 命名管道可用于無親屬關系的進程間通信。 mkfifo()/mknod()將在文件系統中創建一個有路徑和名稱的文件。把這個管道文件當作普通文件用就行了，就可以實現進程間通信。

4） 信號量 信號量、消息隊列、共享內存是System V IPC機制。 臨界區：任何時刻只能有一個進程進行獨占式訪問的代碼區。 信號量：大部分進程間通信只需要二進制信號量，因此這里只討論二進制信號量。進入臨界區前，執行P操作(若信號量大于1則減1并進入臨界區，否則掛起本進程)；退出臨界區時，執行V操作(若有進程在等待掛起則喚醒之，否則信號量加1)。 互斥量：互斥信號量是二進制信號量的一個子集。

5） 消息隊列 與命名管道類似，但不必考慮打開/關閉管道的復雜操作。消息隊列獨立于進程而存在。

6） 共享內存 需要通信的進程間共享一塊內存進行數據交換。

2 進程線程的實現本質

Linux調度器實際是識別task_struct進行調度。 無論進程線程，底層都對應一個task_struct，進程和線程的區別是共享資源的多少，兩個進程間完全不共享資源，兩個線程間共享所有資源。

2.1 fork()

執行fork后，父進程的task_struck對拷給子進程，父子進程最初資源完全一樣，但是是兩份不同的拷貝，因此任何改動都造成二者的分裂。

父子進程對內存資源(mm)的管理使用了COW(Copy-On-Write, 寫時拷貝)技術：

1. 在fork之前，一片內存區對應一份物理地址和一份虛擬地址，內存區的權限為RW；

2. 在fork之后，父子進程看到的內存區虛擬地址相同，物理地址也相同，父子進程使用的其實是同一片物理內存，未發生內存拷貝，操作系統會將此內存區權限改為RO；

3. 父或子進程對內存區執行寫操作將觸發PageFault，操作系統此時會將內存區拷貝一份，父子進程看到的虛擬地址仍然一樣，但是物理地址已經不同。各進程虛擬地址到物理地址的映射由MMU(Memory Management Unit, 內存管理單元)管理。

fork運行在有MMU的CPU上。

2.2 vfork()

對于無MMU的CPU，無法應用COW，無法支持fork。 無MMU的CPU使用vfork創建進程，父進程將一直阻塞直到子進程exit或exec。 vfork和fork的本質區別是，vfork中的父子進程共用同一片內存區。

2.3 pthread_create()

Linux線程本質上就是進程，只是與進程間資源共享方式不同，線程間共享所有資源，如上圖所示。 每個線程都有自己的task_struct，因此每個線程都可被CPU調度。多線程間又共享同一進程資源。這兩點剛好滿足線程的定義。 Linux就是這樣用進程實現了線程，所以線程又稱為輕量級進程。

2.4 PID和TGID

POSIX要求，同一進程的多個線程獲取進程ID是得到的是唯一ID值。

Linux同一進程的多線程，在內核視角實際上每個線程都有一個PID，但在用戶空間需要getpid返回唯一值，Linux使用了一個小技巧，引入了TGID的概念，getpid()返回的的TGID值。

進程視角的top命令： 不帶參數的top命令(默認情況)，顯示的是進程對單核CPU的利用率，例如，一個進程內有三個線程，主線程創建了線程1和線程2，線程1和線程2都調用一個while(1)，則對雙核CPU而言，線程1和線程2各用一個核，占用率都是100%，則top命令看到的進程CPU利用率是200%，進程ID是主線程的PID(也就是TGID)。

線程視角的top命令： top –H命令從線程視角顯示CPU占用率，上例中，將會顯示，線程1占用率100%，線程2占用率100%。 說線程的PID，是指用戶空間的進程ID，值就是TGID；當特別指出，線程在內核空間的PID，則指線程在內核中task_struct里特有的PID。

3 進程調度

3.1 實時進程調度

SCHED_FIFO：不同優先級按照優先級高的先跑到睡眠，優先級低的再跑；同等優先級先進先出。 SCHED_RR：不同優先級按照優先級高的先跑到睡眠，優先級低的再跑；同等優先級輪轉。 內核RT補丁：

如下兩個參數 /proc/sys/kernel/sched_rt_period_us /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us 表示在period的時間里RT最多只能跑runtime的時間

3.2 普通進程調度

SCHED_OTHER：

3.2.1 動態優先級（早期2.6）

進程有IO消耗性和CPU消耗型兩種衡量參數。 優先級高的意味著：1) 得到更多的時間片，2) 醒時能搶占優先級低的。時間片輪轉。 內核存儲靜態優先級，用戶可通過nice來修改靜態優先級。 進程的動態優先級則是根據靜態優先級實時計算出來的，調度算法獎勵IO消耗性（調高優先級增加實時性）、處罰CPU消耗型（調低優先級減小實時性）

3.2.2 CFS：完全公平調度（新內核）

紅黑樹，左邊節點小于右邊節點的值 運行到目前為止vruntime最小的進程 同時考慮了CPU/IO和nice 總是找vruntime最小的線程調度。 vruntime = pruntime/weight × 1024; vruntime是虛擬運行時間，pruntime是物理運行時間，weight權重由nice值決定(nice越低權重越高)，則運行時間少、nice值低的的線程vruntime小，將得到優先調度。這是一個隨運行而動態變化的過程。

工具chrt和renice：

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 設置SCHED_FIFO和50 RT優先級
 # chrt -f -a -p 50 10576
 設置nice
 # renice -n -5 -g 9394
 # nice -n 5 ./a.out

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