Linux程序管理分析

本文分析的內容包括：

程序的概念和一般特性，為什麼重要

程序和執行緒之間的關係

linux如何存放和表示程序（用task_struct和thread_info）

如何建立程序（通過fork(),最終是clone()）

怎麼把新的執行映像裝到位址空間（通過exec（）系統呼叫）

怎麼表示程序的層次關係

父程序怎麼收集後代的資訊（通過wait（）系統呼叫）

程序如何消失（強制呼叫或者主動呼叫exit（））

程式本身並不是程序，程序是執行的程式，和其他的一些資源。比如開啟的檔案，掛起的訊號還有核心的資料。

程序的建立：

在linux系統當中，建立程序是通過fork（）系統呼叫，fork（）通過複製乙個已有的程序來建立乙個新的程序。

呼叫fork（）的程序是父程序，被建立的程序是子程序。

fork（）系統呼叫從核心返回兩次，一次是返回父程序，另一次返回到子程序。

unix的實現方式比較特別，把建立的步驟分解到兩個函式中來執行：乙個是fork（）函式，另乙個是exec（）函式。

1）fork（）函式拷貝當前程序來建立乙個新的子程序，子程序的父程序的區別就是：程序好pid，父程序好ppid還有其他一些資源。

傳統的fork（）系統呼叫直接把所有的資源複製給新的程序，這樣效率比較低，因為可能拷貝的資料，新的程序並不需要，這樣就做了無用功，浪費系統資源。

linux的fork（）做了優化，它使用寫時拷貝（copy-on-write），核心不會直接複製整個程序位址空間，而是讓父程序和子程序共享同乙份拷貝。只有在需要寫入的時候，資料才會被複製，每個程序才擁有自己的乙份拷貝。在此之前，資料以唯讀的方式共享。

這樣優化之後的fork（）系統呼叫，它的實際開銷就是複製父程序的頁表，還有給子程序建立唯一的程序描述符。一般情況下，建立乙個程序之後會馬上執行乙個可執行檔案，這樣的優化就可以避免拷貝大量不會被使用的資料。

2）exec（）函式負責把可執行檔案載入到位址空間，然後開始執行。

執行緒機制可以讓一組執行緒共享記憶體位址，共享其他的資源比如開啟的檔案，可以在多核處理器上並行處理任務。

linux實現執行緒的機制比較獨特。從核心的角度來說，沒有執行緒這個專門的概念。linux把所有的執行緒都看成程序來實現，核心沒有準備專門的的排程演算法來處理執行緒。

每乙個執行緒都有自己的tack_struct，在核心裡看起來就像乙個普通的程序一樣，只不過有些執行緒之間會共享一些資源，比如共享位址空間。

比如有乙個包含四個執行緒的程序，在linux當中只是建立四個程序，分配四個普通的task_struct結構，建立四個程序的時候指定他們共享的資源就可以了。

核心把程序的列表放入任務佇列當中，任務佇列是乙個雙向迴圈鍊錶，鍊錶當中的每一項都是乙個程序描述符，是task_struct結構。

程序描述符包含的資訊有：開啟的檔案，程序的位址空間，程序的狀態，掛起的訊號，還有其他一些資訊。

核心通過程序的標識pid來識別不同的程序，每乙個程序的pid存放在自己的程序描述符當中。

在核心當中，訪問乙個程序需要先獲得他的task_struct的位址。

程序描述符當中有state域表示程序的狀態。系統中的程序一共有5個狀態。

1）task_running：包括兩種細分的狀態：

2）task_interruptible：程序被阻塞，等待某個條件，如果條件滿足就變成可執行狀態

3）task_uninterruptible：就算收到訊號也不會被喚醒，這個狀態用的很少

4）task_stopped：程序呼叫do_exit函式可以進入終止狀態。

5）task_traced：表示程序被其他程序跟蹤

《linux核心設計與實現》robert love（著）陳莉君康華翻譯