Linux内核之进程2:进程和线程的本质

淩亂°似流年 2022-12-01 11:44 233阅读 0赞

## **1.进程拥有资源**mm,fs,files,signal… ##

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fork创建一个新进程，也需要创建task\_struct所有资源；实际上创建一个新进程之初，子进程完全拷贝父进程资源，如下图示：

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比如fs结构体：

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子进程会拷贝一份fs\_struct，

\*p2\_fs = \*p1\_fs;

pwd路径和root路径与父进程相同，子进程修改当前路径，就会修改其p2\_fs->pwd值；父进程修改当前路径，修改p1\_fs->pwd;

其他资源大体与fs类似，最复杂的是mm拷贝，需借助MMU来完成拷贝；即写时拷贝技术：

## 2.写时拷贝技术： ##

#include <sched.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int data = 10;
    
    int child_process()
    { 
    	printf(“Child process %d, data %d\n”,getpid(),data);
    	data = 20;
    	printf(“Child process %d, data %d\n”,getpid(),data);
    	_exit(0);
    }
    
    int main(int argc, char* argv[])
    { 
    	int pid;
    	pid = fork();
    	if(pid==0) { 
    		child_process();
    	}
    	else{ 
    		sleep(1);
    		printf(“Parent process %d, data %d\n”,getpid(), data);
    		exit(0);
    	}
    	return 0;
    }

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**第一阶段**：只有一个进程P1，数据段可读可写：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fBCT8dU5-1598432906573)(media/8cf4434a9219b60475a68cd9151a7227.png)\]][img-fBCT8dU5-1598432906573_media_8cf4434a9219b60475a68cd9151a7227.png]

**第二阶段**，调用fork之后创建子进程P2，P2完全拷贝一份P1的mm\_struct，其指针指向相同地址，即P1/P2虚拟地址，物理地址完全相同，但该内存的页表地址变为只读；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qSVOgHXt-1598432906574)(media/38ede31c7552f6515a972b3fd05d49c2.png)\]][img-qSVOgHXt-1598432906574_media_38ede31c7552f6515a972b3fd05d49c2.png]

**第三阶段**：当P2改写data时，子进程改写只读内存，会引起内存缺页中断，在ISR中申请一片新内存，通常是4K，把P1进程的data拷贝到这4K新内存。再修改页表，改变虚实地址转换关系，使物理地址指向新申请的4K，这样子进程P2就得到新的4K内存，并修改权限为可读写，然后从中断返回到P2进程写data才会成功。整个过程虚拟地址不变，对应用程序员来说，感觉不到地址变化。

谁先写，谁申请新物理内存；

Data=20；这句代码经过了赋值无写权限，引起缺页中断，申请内存，修改页表，拷贝数据…回到data=20再次赋值，所以整个执行时间会很长。

这就是linux中的写时拷贝技术(copy on write), 谁先写谁申请新内存，没有优先顺序；

cow依赖硬件MMU实现，没有MMU的系统就没法实现cow，也就不支持fork函数,只有vfork;

## 3. vfork的 mm指针直接指向父进程mm； ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FAnCYyS8-1598432906576)(media/296245a1dd8d8455850d34c15abf1302.png)\]][img-FAnCYyS8-1598432906576_media_296245a1dd8d8455850d34c15abf1302.png]

除了mm共享，其他资源全都拷贝一份，而fork是所有资源都对拷一份，对比如下图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x1dGVyZXNh_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

不同点：vfork会阻塞：

vfork后，父进程会阻塞，直到子进程调用exit()或exec，否则父进程一直阻塞不执行；

上面代码改用vfork，打印输出10，20，20

## 4.线程 ##

clone函数创建一个新进程，不执行任何拷贝，所有资源都等同vfork中的mm共享，task\_struct里只有指针指向父进程task\_struct；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-El08MZPr-1598432906577)(media/a84dd4fddbd28d7b7a50259f8333ca64.png)\]][img-El08MZPr-1598432906577_media_a84dd4fddbd28d7b7a50259f8333ca64.png]

也就是子进程与父进程完全共享资源，但是又可以被独立调度，实际上这就是linux中的线程本质；

pthread\_create()函数就是调用clone()函数(带有clone\_flags)创建新task\_struct，其内部mm,fs等指针全都指向父进程task\_struct；

Linux中创建进程(fork，vfork)和线程(pthread\_create)，在内核都是调用do\_fork()–>clone()，参数clone\_flags标记表明哪些资源是需要克隆的，创建线程时，所有资源都克隆；

从调度的角度理解线程，从资源角度来理解进程，内核里只要是task\_struct，就可以被调度；linux中的线程又叫轻量级进程lwp;

ret = pthread\_create(&tid1, NULL, thread\_fun, NULL);

if (ret == -1) \{

perror(“cannot create new thread”);

return -1;

strace ./a.out

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cVHxPRhe-1598432906578)(media/0a1bcc889ade18054f6583309c5aaab8.png)\]][img-cVHxPRhe-1598432906578_media_0a1bcc889ade18054f6583309c5aaab8.png]

## 5.人妖 ##

如上述，资源全部共享是线程，不共享是进程；那假如修改clone函数中的clone\_flags，使共享其中部分资源，如下图示：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mHe3yTZP-1598432906579)(media/e22d8125e88fa382ff4ca2c5ae47ce07.png)\]][img-mHe3yTZP-1598432906579_media_e22d8125e88fa382ff4ca2c5ae47ce07.png]

这时候创建的既不是进程也不是线程，妖有了仁慈的心,就不再是妖,是人妖；

Linux是可以调用clone创建人妖的，不过没实际必要～

## 6.PID ##

Linux 的每个线程都会创建task\_struct，会有个独立的PID；

POSIX标准规定，在多线程中调用getpid()应该获得相同的PID；

为兼容POSIX标准，linux增加了一层TGID,  
调用getpid()实际上是去TGID层获取PID，TGID中PID均相同，保留了线程在内核中不同的PID，如下图所示：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I7SHAC8Q-1598432906580)(media/093b63773b41e7ac8007aa9f52927df7.png)\]][img-I7SHAC8Q-1598432906580_media_093b63773b41e7ac8007aa9f52927df7.png]

top命令看到的是进程TGID，所有线程相同；

top –H命令是从线程视角，此时的PID是task\_struct中实际的PID;

## 7.进程死亡： ##

7.1子进程先死亡，父进程去清理，所谓白发人送黑发人，不清理则变成僵尸进程；

7.2  
若父进程先死，子进程变成孤儿，一般托付给init，新版linux3.4引入subreaper，可以托付给中间进程subreaper。

父进程先死亡后，子进程沿tree向上找最近的subreaper挂靠，找不到subreaper，就挂在init。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ObOVANRt-1598432906581)(media/70800e4b2da69ad1fdfe17aeaa8ba16c.png)\]][img-ObOVANRt-1598432906581_media_70800e4b2da69ad1fdfe17aeaa8ba16c.png]

/\* Become reaper of our children \*/

if (prctl(PR\_SET\_CHILD\_SUBREAPER, 1) < 0) \{

log\_warning(“Failed to make us a subreaper: %m”);

if (errno == EINVAL)

> log\_info(“Perhaps the kernel version is too old (< 3.4?)”);

PR\_SET\_CHILD\_SUBREAPER设置为非零值，当前进程就会变成subreaper，会像1号进程那样收养孤儿进程；

## 8.睡眠 ##

当进程需要等待硬件I/O资源的时候，可以设置为睡眠状态，一般驱动做成浅度睡眠，硬盘等资源会置入深度睡眠(不会被信号唤醒)；

睡眠是把task\_struct挂在wait  
queue上，比如多个进程都在等待串口，当串口可用时，唤醒等待队列上所有进程；

以下为《linux设备驱动开发详解》中案例注释

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-maNdp7il-1598432906581)(media/8a98b726539726d0714f09028e82dbb4.png)\]][img-maNdp7il-1598432906581_media_8a98b726539726d0714f09028e82dbb4.png]  
注：上图有个错误，while循环中，应该为  
**“若非阻塞，直接退出**”；  
”**进程阻塞，将进程设置睡眠状态**“

当读取fifo为空即dev->current\_len==0时，将进程加入等待队列睡眠，schedule()让出CPU,  
fifo中写入数据时将等待队列唤醒，此函数中schedule()处继续执行；唤醒动作在write函数中执行；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1mqglwYf-1598432906582)(media/212994743340998fd93f1a8fbca39ece.png)\]][img-1mqglwYf-1598432906582_media_212994743340998fd93f1a8fbca39ece.png]

唤醒后检查唤醒原因，若为IO唤醒，正常读取数据；若为信号唤醒，直接退出；

## 9. 0进程 ##

0进程是唯一没通过fork()创建的进程，是系统中所有其它用户进程的祖先进程，其创建1号进程(init进程后)，退化为idle进程，也叫swapper进程；

top命令中的id时间即为idle进程运行时间；

idle进程：优先级是最低的，当系统中没有任何进程运行时，即执行idle进程，idle将CPU置入低功耗模式，有任何其他进程被唤醒，idle即让出CPU；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4oerFL65-1598432906583)(media/cee63e8c6e288f0bd7eeb11bd55517cd.png)\]][img-4oerFL65-1598432906583_media_cee63e8c6e288f0bd7eeb11bd55517cd.png]

idle进程的设计，实际上是将“跑”与“不跑”的问题，统一为“跑”的问题。极巧妙的简化了系统设计，降低进程之间的耦合度。(将检查系统是否空闲，设置CPU低功耗模式的功能放在idle实现，其他进程都不用关心CPU工作模式)

ARM版本实现如下：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Jefa6Qsl-1598432906584)(media/8d25a08468a3d9f43989071072f9a8d1.png)\]][img-Jefa6Qsl-1598432906584_media_8d25a08468a3d9f43989071072f9a8d1.png]

Wfi ==> wait for interrupt

对于用户空间来说，进程的鼻祖是init进程，所有用户空间的进程都由init进程创建和派生，只有init进程才会设置SIGNAL\_UNKILLABLE标志位。

如果init进程或者容器init进程要使用CLONE\_PARENT创建兄弟进程，那么该进程无法由init回收，父进程idle进程也无能为力，因此会变成僵尸进程(zombie)。

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[img-I7SHAC8Q-1598432906580_media_093b63773b41e7ac8007aa9f52927df7.png]: /images/20221123/8d408ac81cba40788c77b2455f261c76.png
[img-ObOVANRt-1598432906581_media_70800e4b2da69ad1fdfe17aeaa8ba16c.png]: /images/20221123/c2b0d92aca424d3fa485c778b15c676b.png
[img-maNdp7il-1598432906581_media_8a98b726539726d0714f09028e82dbb4.png]: /images/20221123/6a1cdfff0d194f89866fdb3f394eee69.png
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[img-Jefa6Qsl-1598432906584_media_8d25a08468a3d9f43989071072f9a8d1.png]: /images/20221123/db3458dd015c469ea9bc5f93d86c3b02.png