PCB与进程分配资源

小咪咪 2023-01-15 11:25 135阅读 0赞

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PCB（progress control block），进程控制块。这里先不讨论PCB是什么，其实进程这个概念本身就是一个很难理解的概念，当一个可执行程序被系统执行了以后，就变成了一个进程。那么这个进程中到底有什么东西呢，系统究竟给这个进程分配了哪些资源？另外，进程在内存中的存储是怎么样的？

对于一个进程，它在被执行前其实是一个可执行程序。这个程序是被放在磁盘上的，当它要被执行的时候，它先被加载到内存当中，然后再放入到寄存器中，最后再让cpu执行该程序，这个时候一个静态的程序就变成了进程。

那么操作系统是怎么来管理这些进程的呢？操作系统通过一个双向链表把进程连起来。但是，对于进程其实它是一个抽象的概念，系统肯定要通过一个东西来描述进程，然后才能管理进程。于是PCB就出来了，操作系统通过PCB来描述进程，于是这个双向链表连接的其实是PCB，这个PCB是个什么玩意？它就是一个结构体，用来描述进程，在Linux下，就是task\_struct结构体。

进程内存分配  
每个进程运行的时候，都会拿到4G的虚拟内存，在32位Linux下，其中3G是交给用户的，1G是交给内核的，而task\_struct就是存储在这1G的内核系统空间中。

每个进程都有各自的私有用户空间（0-3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。  
最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。  
至于为什么需要这个1G的内核空间，是因为进程需要调用一些系统调用，来交给内核跑，程序的一部分逻辑可能是要交给内核去跑的，所以一部分虚拟地址必须要留给内核使用。

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另外，我们常说的虚拟地址空间， 其实就是用户空间。

于是，通过上图我们可以发现，每个进程的PCB都是存在所有进程共享的内核空间的中，这也就很好理解，我们之前说操作系统管理进程，也就是在内核空间中管理的，在内核空间中通过链表管理所有进程的PCB，如果有一个进程要被创建，实际上多分配了这么一个4G的虚拟内存，并在共享的内核空间中的双向链表中加入了自己的PCB。

PCB中到底有什么？  
我们拿task\_strcut结构体来说话，下面这段源码注释，是我从一个大神那里copy来的，只是为了方便自己理解

struct task_struct {
    volatile long state;  //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
    unsigned long flags;  //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
    intsigpending;   //进程上是否有待处理的信号
    mm_segment_taddr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
                           //0-0xBFFFFFFF foruser-thead
                           //0-0xFFFFFFFF forkernel-thread
    //调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
    volatilelong need_resched;
    int lock_depth;  //锁深度
    longnice;       //进程的基本时间片
    //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR,分时进程:SCHED_OTHER
    unsigned long policy;
    struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
    int processor;
    //若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1这个值在运行队列被锁时更新
    unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
    struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
    unsigned longsleep_time;  //进程的睡眠时间
    //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表,其根是init_task
    struct task_struct *next_task, *prev_task;
    struct mm_struct *active_mm;
    struct list_headlocal_pages;       //指向本地页面      
    unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
    struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
    int exit_code, exit_signal;
    intpdeath_signal;    //父进程终止是向子进程发送的信号
    unsigned longpersonality;
    //Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
    intdid_exec:1; 
    pid_tpid;    //进程标识符,用来代表一个进程
    pid_tpgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
    pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
    pid_tsession;  //进程的会话标识
    pid_t tgid;
    intleader;     //表示进程是否为会话主管
    struct task_struct*p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
    struct list_head thread_group;  //线程链表
    struct task_struct*pidhash_next; //用于将进程链入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; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
     
    //it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies,系统根据it_real_value
    //设置定时器的第一个终止时间.在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
    //it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
    //当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
    //信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
    //it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
    //状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
    //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_listreal_timer;   //指向实时定时器的指针
    struct tmstimes;     //记录进程消耗的时间
    unsigned longstart_time;  //进程创建的时间
    //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
    longper_cpu_utime[NR_CPUS],per_cpu_stime[NR_CPUS]; 
    //内存缺页和交换信息:
    //min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copyon　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
    //设备读入的页面数）；nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
    //cmin_flt, cmaj_flt,cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
    //在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
    unsignedlong min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
    int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
    //进程认证信息
    //uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
    //euid，egid为有效uid,gid
    //fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
    //系统的访问权限时使用他们。
    //suid，sgid为备份uid,gid
    uid_t uid,euid,suid,fsuid;
    gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
    int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
    gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
    //进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
    kernel_cap_tcap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
    int keep_capabilities:1;
    struct user_struct *user;
    struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
    unsigned shortused_math;   //是否使用FPU
    charcomm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
     //文件系统信息
    int link_count, total_link_count;
    //NULL if no tty进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
    struct tty_struct*tty;
    unsigned int locks;
    //进程间通信信息
    struct sem_undo*semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
    struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
    //进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
    structthread_struct thread;
      //文件系统信息
    struct fs_struct *fs;
      //打开文件信息
    struct files_struct *files;
      //信号处理函数
    spinlock_t sigmask_lock;
    struct signal_struct *sig; //信号处理函数
    sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
    struct sigpendingpending;  //进程上是否有待处理的信号
    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;
    };

我们可以挑几个重点的记一下

标识相关：pid，ppid等等  
文件相关：进程需要记录打开的文件信息，于是需要文件描述符表  
内存相关：内存指针，指向进程的虚拟地址空间（用户空间）信息  
优先级相关：进程相对于其他进程的调度优先级  
上下文信息相关：CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。  
状态相关：进程当前的状态，说明该进程处于什么状态  
信号相关：进程的信号处理函数，以及记录当前进程是否还有待处理的信号  
I/O相关：记录进程与各种I/O设备之间的交互  
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