Linux进程管理知识整理(1)


1、进程有哪些状态？什么是进程的可中断等待状态？进程退出后为什么要等待调度器删除其task_struct结构？进程的退出状态有哪些？

TASK_RUNNING可运行状态）

TASK_INTERRUPTIBLE可中断等待状态）

TASK_UNINTERRUPTIBLE不可中断等待状态）

TASK_STOPPED进程被其它进程设置为暂停状态）

TASK_TRACED进程被调试器设置为暂停状态）

TASK_DEAD退出状态）

进程由于所需资源得不到满足，从而进入等待队列，但是该状态能够被信号中断。比如当一个正在运行的进程因进行磁盘I/O操作而进入可中断等待状态时，在I/O操作完成之前，用户可以向该进程发送SIGKILL，从而使该进程提前结束等待状态，进入可运行态，以便响应SIGKILL，执行进程退出代码，从而结束该进程。

当进程退出时例如调用exit或者从main函数返回），需要向父进程发送信号，父进程进行信号处理时，需要获取子进程的信息，因此这时不能删除子进程的task_struct。另外每个进程都有一个内核态的堆栈，当进程调用exit()时，在切换到另外一个进程前，总是要使用内核态堆栈，因此当进程调用exit()时，完成必要的处理后，就把state设置为TASK_DEAD，并切换到其他进程。当顺利地切换到其他进程后，由于该进程的状态设置为TASK_DEAD，因此这个进程不会被调度，之后当调度器检查到状态为TASK_DEAD的进程时，就会删除这个进程的task_struct结构，这样这个进程就彻底的消失了。

EXIT_ZOMBIE僵死进程）：父进程等待子进程结束时发送的SIGCHLD信号默认情况下，创建进程都会设置在进程退出的时候向父进程发送信号的标志，除非创建的是轻权进程），此时子进程已退出，并且SIGCHLD信号已经发送，但是父进程还没有被调度运行；EXIT_DEAD僵死撤销状态）：父进程对子进程的退出信号“没兴趣”，或者在子进程退出时，父进程通过waitpid()调用等待子进程的SIGCHLD信号。

2、僵尸进程

1) 怎么产生僵尸进程

一个进程在调用exit命令结束自己的时候，其实它并没有真正的被销毁，只是进程不能被调度并处于EXIT_ZOMBIE状态，它占用的所有内存就是内核栈、thread_info结构和task_struct结构。此时进程存在的唯一目的就是向它的父进程提供信息，如果它的父进程没有调用wait或waitpid等待子进程结束，又没有显示地忽略该信号，那么它就一直保持EXIT_ZOMBIE状态。

2) 怎么查看僵尸进程

利用命令ps，看到有标记为Z的进程就是僵尸进程。

3) 怎么清理僵尸进程

  • 父进程可以调用waitpid、wait函数来等待子进程结束
  • 把父进程杀掉，父进程死后，僵尸进程成为“孤儿进程”，过继给init进程，init进程始终负责清理僵尸进程，它产生的所有僵尸进程也跟着消失。

3、PID管理

在Linux系统中用pid结构体来标识一个进程，通过pidmap位图来管理所有的进程号(即pid：与前面的pid结构体不是同一个意思)，目的就是要更快的找到目标进程。用pid结构体来表示进程的优点：比直接用数字pid_t更容易管理(进程退出时pid回收再分配效率高)，比直接用task_struct标识进程占用空间小。

pid结构体如下所示：

  1. struct pid 
  2. { 
  3. atomic_t count; 
  4. int nr;                          /*存放pid数值*/ 
  5. struct hlist_node pid_chain;        /*把该pid链到哈希表中*/ 
  6. struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; 
  7. struct rcu_head rcu; 
  8. }; 

因为对于32位系统来说，默认最大的pid为32768，由于pidmap位图中每一位表示这个pid是否可用，共需要32768位，正好一个物理页的大小(4*1024*8)。

pidmap结构体如下所示：

  1. struct pidmap { 
  2.        /* 
  3.         *这个变量用来统计这个结构体对应的一页物理内存中有多少个位 
  4.             *是0的，即空闲pid的数量 
  5.         */ 
  6.        atomic_t nr_free;  
  7.        void *page;      /*这个就是指向存放这个位图的内存页的指针*/ 
  8. }; 

下面首先来看Linux内核启动之初在start_kernel函数中对pidmap位图的初始化函数pidmap_init如下所示：

  1. void __init pidmap_init(void) 
  2. { 
  3.    /*申请一页物理内存，并初始化为0*/ 
  4. init_pid_ns.pidmap[0].page = kzalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL); 
  5.   /*将第0位设置为1，表示当前进程使用pid为0，即现在就是0号进程*/ 
  6. set_bit(0, init_pid_ns.pidmap[0].page); 
  7.    /*同时更新nr_free统计空闲pid的值*/ 
  8. atomic_dec(&init_pid_ns.pidmap[0].nr_free); 
  9. pid_cachep = KMEM_CACHE(pid, SLAB_PANIC); 
  10. } 

再来看Linux内核启动之初在start_kernel函数中对pid hash表的初始化函数pidhash_init如下所示：

  1. void __init pidhash_init(void) 
  2. { 
  3. int i, pidhash_size; 
  4.    /* 
  5.     *nr_kernel_pages表示内核内存总页数，就是系统DMA和NORMAL内 
  6.         *存页区的实际物理内存总页数 
  7.     *megabytes：统计的是内核内存有多少MB 
  8.     */ 
  9. unsigned long megabytes = nr_kernel_pages >> (20 - PAGE_SHIFT); 
  10.   /*从下面两行代码可以看出pidhash_shift是在4~12之间的*/ 
  11. pidhash_shift = max(4, fls(megabytes * 4)); 
  12. pidhash_shift = min(12, pidhash_shift); 
  13. pidhash_size = 1 << pidhash_shift; 
  14. printk("PID hash table entries: %d (order: %d, %Zd bytes)\n", 
  15. pidhash_size, pidhash_shift, 
  16. pidhash_size * sizeof(struct hlist_head)); 
  17.    /* 
  18.    *由alloc_bootmem可知pid_hash是在低端物理内存申请的，由于 
  19.        *pidhash_init函数是在mem_init函数执行之前被调用的，所以这里申请  
  20.        *的内存是不会被回收的 
  21.    */ 
  22. pid_hash = alloc_bootmem(pidhash_size * sizeof(*(pid_hash))); 
  23. if (!pid_hash) 
  24. panic("Could not alloc pidhash!\n"); 
  25. for (i = 0; i < pidhash_size; i++) 
  26.        /*初始化每个表的每个表项的链表*/ 
  27. INIT_HLIST_HEAD(&pid_hash[i]); 
  28. } 

总结：内核维护两个数据结构来维护进程号pid，一个是哈希表pid_hash，还有一个位图pidmap。在do_fork()中每调用一次alloc_pid(),首先会通过调用alloc_pidmap()修改相应的位图，该函数的主要思想是：last记录上次分配的pid，此次分配的pid为last+1，如果pid超出最大值，那么就循环回到最初值(RESERVED_PIDS)，然后测试pidmap上该pid所对应的bit是否为0，直到找到为止。其次通过hlist_add_head_rcu函数在pid_hash表中增加一项。


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