這次作業主要基於Linux-0.12的源代碼，分析Linux是如何組織進程，進程的狀態之間是如何轉換，以及進程是如何調度的。 一. 進程的概念： 1.進程就是：程式在數據集合上的一次運行過程，是系統進行資源分配和調度的獨立單位。 2.對進程的靜態描述為：是一個數據集合，以及在其上運行的程式。 3.我 ...
這次作業主要基於Linux-0.12的源代碼，分析Linux是如何組織進程，進程的狀態之間是如何轉換，以及進程是如何調度的。
一. 進程的概念：
1.進程就是：程式在數據集合上的一次運行過程，是系統進行資源分配和調度的獨立單位。
2.對進程的靜態描述為：是一個數據集合，以及在其上運行的程式。
3.我本來認為進程與程式是差不多的東西，但發現他們其實並不一樣，進程是一個動態的概念，不同於程式又依賴於程式，既有聯繫又有區別，進程具備程式不具備的特征，比如：
1).動態特征：進程具有生命周期，創建之後才產生，調度時運行，得不到資源就發生阻塞，撤銷之後就消亡。進程本身就是一個執行過程，程式，卻僅僅是個靜態文本（指令合集）；
2).併發特征：多個進程實體，同存於主存中，能在一段時間內同時運行。由此可見進程的併發特征是其第二基本特征，程式不具備併發性；
3).獨立特征：進程是系統進行資源分配和調度的一個基本單位，程式段是不可做為獨立單位接收資源分配和調度的；
4).結構特征（靜態特征）：為了描述進程的運動變化過程系統為每一個進程配置了一個進程式控制制塊（PCB：Process Control Block），這樣靜態的看或從結構上看，進程就由正文段，數據集合（結構）以及PCB三部分組成，一般將這三部分組成結構成為進程映像：
進程映像
5). 非同步特征：各進程按照其各自獨立的，不可預知的速度向前推進。
In a word， 進程 == 可以和其他程式併發執行的 程式的 一次執行。
二. Linux操作系統是怎麼組織進程的：
1. Linux是一個多任務的開放式操作系統，進程就是許多分離的任務，每一個進程彼此獨立，並通過進程間的通信機制實現進程之間的同步與互斥。在Linux系統中，進程與任務是相同的概念。
2. 系統中有許多進程，Linux要對其進行管理和調度，就要通過存放在系統數據段中的進程式控制制信息，其中最重要的就是task_struct數據結構。
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- 正文段：是具有可再入性的代碼組成的程式（可再入程式也稱純代碼，可同時被多個進程或程式所共用的程式），因此對用不同的數據集，可以構成不同的進程，所以正文段是可以調用但是不可以修改的，一般情況下是由系統程式組成。
- * 進程式控制制塊（PCB）：PCB中記錄了用於描述進程情況及控制進程運行所需的全部屬性信息。系統通過PCB感知進程的存在，是進程進行控制存在的唯一標識。系統根據PCB來對併發執行的進程進行控制和管理。系統會在創建進程時就創建該進程的PCB，在撤銷一個進程時就撤銷其PCB。當操作系統要調用進程執行時。需要從該進程的PCB中查詢其現行狀態機優先順序等調度參數，在調度到某進程後，要根據PCB中保存的處理機狀態信息去設置進程回覆運行的現場，並根據其PCB中的進程和數據的記憶體地址來找到程式和數據；進程在執行過程中，當需要與其它進程通信時，也需要訪問其PCB；當進程因某種原因而暫停執行時，需要將斷點的現場信息保存在其PCB中。
- 數據集合：由數據所組成的集合。
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PCB通常包含的內容 進程描述信息 進程式控制制和管理信息 資源分配清單 處理機相關信息 進程標識符(PID) 進程當前狀態 代碼段指針 通用寄存器值 用戶標識符(UID) 進程優先順序 數據段指針 地址寄存器值
3. 在linux內核代碼定義了task_struct 數據結構，包含了一個進程所有的信息：
1 struct task_struct {
2 /* these are hardcoded - don't touch */
3 long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
4 long counter;
5 long priority;
6 long signal;
7 struct sigaction sigaction[32];
8 long blocked; /* bitmap of masked signals */
9 /* various fields */
10 int exit_code;
11 unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;
12 long pid,pgrp,session,leader;
13 int groups[NGROUPS];
14 /*
15 * pointers to parent process, youngest child, younger sibling,
16 * older sibling, respectively. (p->father can be replaced with
17 * p->p_pptr->pid)
18 */
19 struct task_struct *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;
20 unsigned short uid,euid,suid;
21 unsigned short gid,egid,sgid;
22 unsigned long timeout,alarm;
23 long utime,stime,cutime,cstime,start_time;
24 struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];
25 unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
26 unsigned short used_math;
27 /* file system info */
28 int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */
29 unsigned short umask;
30 struct m_inode * pwd;
31 struct m_inode * root;
32 struct m_inode * executable;
33 struct m_inode * library;
34 unsigned long close_on_exec;
35 struct file * filp[NR_OPEN];
36 /* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */
37 struct desc_struct ldt[3];
38 /* tss for this task */
39 struct tss_struct tss;
40 };
三. 進程狀態如何轉換（給出進程狀態轉換圖）：
1. 在多道程式系統中，多個進程都要在CPU上運行，有時還要申請使用其他資源，由於資源的寶貴性，使得並非每個進程都能立即得到資源，從而導致進程之間的競爭（競爭是由兩個以上進程以顯式或隱式的方式共用資源而引起的狀態）。
2. 一般情況下進程有三種狀態，就緒（資源，CPU），運行（資源，CPU），阻塞（資源，CPU）。
3. Linux在每個進程的task_struct結構中，定義了state域來描述進程的調度狀態，共有五種，定義如下：
1 #define TASK_RUNNING 0
2 #define TASK_INTERRUPTIBLE 1
3 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
4 #define TASK_ZOMBIE 3
5 #define TASK_STOPPED 4
#define TASK_RUNNING 0
1）運行態或可運行態：已經占有CPU正在運行，或者正處於運行隊列中，等待著系統的進程調度程式schedule()將CPU分配給它。系統中有一個運行隊列run_queue，容納了所有處於可運行狀態的進程，當前正在運行的進程也一直處於該隊列中，由全局變數current指向。
*該狀態是Linux與一般操作系統的區別，在其他操作系統中，只有正在使用CPU的進程才處於運行狀態，其他都處於就緒狀態。
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
2）進程可中斷的睡眠態：因等待某一事件或某種資源而加入等待隊列，等待資源有效時被喚醒。
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
3）進程不可中斷的睡眠態：此時的進程因為硬體條件的不滿足而睡眠，處於等待隊列中，在任何情況下都不能被打斷，除非通過特定的方式來喚醒，比如通過喚醒函數wake_up()等。
#define TASK_ZOMBIE 3
4）進程僵死狀態（終結態）：當進程使用系統調用exit自我消亡時，將state設為此狀態。發送信號給父進程並釋放占有的系統資源，但它的task_struct結構仍未釋放。父進程通過系統調用wait收集其中包含的出口碼及一些計時信息後，釋放他的task_struct結構。
#define TASK_STOPPED 4
5）進程被暫停運行狀態：進程暫時停止運行來接受某種處理，通過其他進程的信號才能喚醒。
4. 進程狀態的轉換：
1).Linux中用戶進程是由父進程執行系統調用fork()或者clone()等創建的。這些系統調用都通過調用do_fork()函數來完成子進程的創建。do_fork()函數創建一個新進程，為其創建一個task_struct結構，繼承父進程現有的資源，子進程創建後的狀態為TASK_RUNNING態，父進程將它掛入到運行隊列run_queue中，等待處理器的分配。
2).獲得CPU而正在運行的進程如果申請不到某個資源，則調用函數sleep_on()或interruptible_sleep_on()轉入睡眠，其task_struct結構從run_queue隊列移入xiangying的等待隊列。如果調用sleep_on()，則其狀態轉入不可中斷的睡眠態TASK_UNINTERRUPTIBLE，如果調用interruptible_sleep_on()，則其狀態轉入可中斷睡眠態TASK_INTERRUPTIBLE 。無論轉入哪種睡眠狀態，都將調用schedule()函數把睡眠進程釋放的CPU重新分配給run_queue隊列中的某個可運行的進程。
3).轉入TASK_INTERRUPTIBLE的睡眠進程在它申請的資源有效時將被喚醒（被某函數，信號或者中斷），而轉入TASK_UNINTERRUPTIBLE的睡眠進程只有在它申請的資源有效時被喚醒，不能被信號，定時器中斷喚醒。這些被喚醒的進程都轉入TASK_RUNNING狀態， 併進入run_queue隊列。
4).當進程收到暫停或停止信號時，狀態轉入TASK_STOPPED ，暫停運行，CPU重新分配給run_queue隊列中的其他可運行進程，只有通過其他進程發送恢覆信號，才能把TASK_STOPPED 進程喚醒，重新進入run_queue隊列。
5).當進程運行完成，執行系統調用exit()或do_exit()時，進程轉入僵死態TASK_ZOMBIE，釋放所占有的系統資源，同時啟動schedule()把CPU分配給run_queue隊列中的其他進程。
5. 進程狀態轉換圖：
四. 進程是如何調度的：
1. Linux主要採用了基於優先權的時間片輪轉法為進程分配CPU。按照這種調度方法，系統給每個運行進程分配一個時間片，而優先權的大小又決定了哪個進程被調度運行（Linux的進程調度並不局限於某一種調度策略，它融合了基於優先權的輪轉法調度，基於優先權的先進先出調度以及多級反饋輪轉調度的策略，具有很高的綜合性）。
2.
long priority;
1). 進程（實時和普通）的優先順序反映了進程相對於其他進程的可選擇度，也是系統每次允許進程運行的時間。
long counter;
2). 進程運行所剩餘的時間片，每次時鐘中斷發生時，值-1，直到為0，counter = 0表示進程的時間片已經用完，要停止運行。
3. Linux進程調度時機主要有：
1). 進程狀態轉換的時時。如進程終止、進程睡眠；
2). 當前進程的時間片用完時（current->counter=0），要重新選擇一個進程；
3). 設備驅動程式，直接調用schedule()；
4). 進程從中斷、異常及系統調用處理後返回到用戶態時。
4. Linux-0.12 schedule()如下：
void schedule(void)
{
int i,next,c;
struct task_struct ** p;
/*有信號來時，喚醒進程*/
for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
if (*p) {
if ((*p)->timeout && (*p)->timeout < jiffies) {
(*p)->timeout = 0;
if ((*p)->state == TASK_INTERRUPTIBLE)
(*p)->state = TASK_RUNNING;
}
if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) {
(*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1));
(*p)->alarm = 0;
}
if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&
(*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)
(*p)->state=TASK_RUNNING;
}
while (1) {
c = -1;
next = 0;
i = NR_TASKS;
p = &task[NR_TASKS];
while (--i) {
if (!*--p)
continue;
if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
c = (*p)->counter, next = i;
}
if (c) break;
for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
if (*p)
(*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
(*p)->priority;
}
switch_to(next);
}
五. 我對Linux操作系統進程模型的看法：
Linux支持多進程，進程式控制制塊task_struct結構包括進程標識，進程狀態，進程調度，進程指針，文件管理和虛存管理等，Linux對普通進程採用的是優先順序調度策略。儘量公平合理的進行各進程之間的調度。
六. 參考資料：
https://blog.csdn.net/hgnuxc_1993/article/details/54847732
http://www.docin.com/p-820504201.html
https://blog.csdn.net/songjinshi/article/details/23262923
操作系統原理與分析（第一版）；曹聰，範廉明 著；科學出版社
