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Outline

  • Process Concept
  • Process Control Block
  • Process State
    • Process Creation
    • Process Termination
    • Process and Signal
  • Process Scheduling

Process Concept

为什么要有进程

进程就是资源分配（i.e. 一个进程可以使用多少 cpu、mem 等等）和资源保护（i.e. 别的进程不能干预这个进程）的基本单元

名词辨析：

  • 程序：就是储存在磁盘的一些 bytes
  • 进程：程序被加载到内存之后，就是进程
    • 因此，多个进程可能是同一个程序加载进内存的
    • 一个 OS 中，一般而言都同时有很多进程
    • "job" and "process" can be used interchangeably in OS texts, but we prefer "process"

内存组成

Stack VS Heap:

  • 一般认为，stack 比 heap 快
    • 一是因为 stack 有一个 stack pointer 指向栈顶（因此地址计算啥的比较快）
    • 二是因为 stack 用得多，所以很多都在 cache 里面
  • 本质上，stack 和 heap 就是程序运行时的“草稿纸”——用来记录中间信息

Code & Data Section: code 和 data section 是其中唯二来自于 elf 文件的。在创建进程的时候，直接映射自 elf 文件。

栈

栈的结构

Obs: 函数可以有复杂的调用关系，本质上就是通过一连串栈帧组织起来的；而栈帧之间能够连串，用的就是链表的思想（见上图）。 - 至于每一个栈帧中，其数据的存放也是分门别类的（具体见 ISA 的说明书）。

栈的增长

Obs: Stack overflow，就是栈用的太多导致的。

同一程序的进程在不同时刻时的内存差异

OS 的内存布局

如图，（在没有内存映射的前提下，）一个 OS 的内存布局如上图。

Process Control Block

每一个进程，都有专门有一个地址，用来存放 meta data。

Process State

Process Creation

一般而言，我们通过 fork 来复制进程。Fork 之后，父进程和子进程之间的区别，只有 PID。然后，我们可以随即对子进程进行处理（比如通过 exec 等命令，直接让其它程序覆盖子进程）。

不难看见：子进程和父进程之间的依赖关系，可以形成有根多叉树。如下图所示：

Linux 的三个特殊进程

3 个特殊进程

idle 进程，pid = 0

idle进程：

  • 由系统自动创建, 运行在内核态
  • pid=0，其前身是系统创建的第一个进`
  • 唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程；
  • 完成加载系统后，演变为进程调度、交换；

init 进程，pid = 1

  • init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终用户空间

由0进程创建，完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程

Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。

kthreadd 进程，pid = 2

  • kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理

它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程

fork vs CreateProcess

相比 Windows NT 的 CreateProcess，fork 有以下优缺点：

Pros（优点）

  1. 简洁：Windows CreateProcess 需提供10个参数
    • fork() 在 UNIX 系统中用于创建进程，只需一个系统调用即可完成。相比之下，CreateProcess() 是 Windows 系统的进程创建方式，需传入更多的参数（通常约10个），因此相对复杂。
    • 原因：fork() 直接复制当前进程的状态，不需要用户手动设置过多信息。而 CreateProcess() 涉及更多进程启动信息，如路径、环境、权限等，增加了使用的复杂度。
  2. 分工：fork搭起骨架，exec赋予灵魂
    • fork() 创建子进程时，只复制当前进程的结构（骨架），然后可以通过 exec() 函数替换子进程的内容（灵魂）。
    • 原因：这是 UNIX 风格的进程创建模式，fork() 后可以继续运行子进程的代码，或使用 exec() 完全替换子进程的执行内容。CreateProcess() 一次性创建和启动进程，没有类似 fork() 和 exec() 的分离。
  3. 联系：保持进程与进程之间的关系
    • fork() 创建的子进程与父进程共享许多资源（如文件描述符等），这有助于父子进程保持紧密的联系。
    • 原因：fork() 通过复制父进程的地址空间，子进程可以继承父进程的大量资源和状态信息。而 CreateProcess() 进程是独立的，资源分离较为明显。

Cons（缺点）

  1. 复杂：两个系统调用
    • fork() 创建进程通常需要与 exec() 结合使用，意味着需要进行两次系统调用。
    • 原因：fork() 创建的子进程是父进程的副本，但往往需要通过 exec() 来执行新程序，这使得操作需要两步。相比之下，CreateProcess() 一步到位完成了进程创建和启动。
  2. 性能差
    • fork() 由于复制整个进程的内存和状态信息，性能上可能不如 CreateProcess() 高效。
    • 原因：尽管现代操作系统通过写时复制（Copy-on-Write, COW）优化了 fork() 的性能，但在需要创建大量进程时，复制父进程的开销依然可能较大，而 CreateProcess() 不复制父进程内容，直接从头初始化子进程。
  3. 安全性问题
    • fork() 和 exec() 的组合在某些情况下可能引发安全隐患，特别是当进程继承了父进程的资源（如文件描述符、权限等）而没有进行适当的处理时。
      • 这也是为什么 Linux 需要 systemd (用户态) 和 kthreadd (内核态) 两个守护进程
    • 原因：fork() 的子进程默认继承父进程的文件描述符、环境变量等，而这些继承的资源如果没有进行严格控制，可能会导致安全风险。而 CreateProcess() 中，子进程是从独立的环境启动，避免了资源继承带来的安全隐患。

Process Termination

说完了 new 状态，实际上，terminal 状态，是通过一个进程调用 exit 这个 kernel call 来实现的。

  • 实际上，main 函数返回之后，编译器会自动为其创建一个 exit call

僵尸进程和孤儿进程

根本原因

父进程对子进程需要负很大责任，但是却没负到该负的责任。

  • 当然，孤儿进程也有可能是有意为之（见下文”常见收尸策略“）

是誰負責？羞也不羞？我們需要嚴格地檢討！（發自我的手機）——丘成桐

僵尸进程的原因：

  • 一个子进程在 exit 之后，会进入 terminated 阶段
  • 此时，进程不再占用 CPU，但是仍然占用少量的内存（储存 PCB 等信息）
    • 逻辑是：子进程可能会返回给父进程一些有用的信息，因此不能随便就干掉
  • 必须通过父进程来亲自”收尸 (reap)“（使用 wait 或者 waitpid）
  • 如果父进程没有去”收尸“，那么子进程就会一直死在那里，称为 zombie
    • 如果 zombie 太多了，就会严重影响系统性能，乃至导致系统崩溃
常见收尸策略
  1. 父进程收尸
    • 子进程在 exit 时候，会给父进程发送 SIGCHLD 信号，
      • 这个信号父进程是默认忽略的
    • 我们需要写一个 SIGCHLD 信号的处理 handle，handle 里就可以通过 wait 等等来进行收尸
  2. systemd 收尸（double fork trick）：我们可以 fork 两次，从而创建出 child process 和 grandchild process，然后杀掉 child process，使得 grandchild process 变成孤儿进程（见下文），从而由 systemd 接管，自动收尸
    • 注意：虽然不用管 grandchild 了，但是 child process 仍然需要我们去处理

孤儿进程的原因：

  • 如果父进程比子进程先死了，子进程的 parent PID 就无效了
  • 此时，OS 就会将子进程的 parent PID 直接变成 1
    • 也就是交给 systemd 来管
    • 死后也由 systemd 来自动”收尸“

Process & Signal

如果一个进程收到了 signal，那么就必须去 handle 它。

  • 不同的 signal，默认的 handle 方式不一样
  • User 可以为大部分的 signals 设置自定义的 handle
    • 有两个 signal——sigkill 和 sigstop——不能自定义 handler
  • User 也可以阻塞大部分的 signals，使得这个 signal 暂时不会被接收到
    • 有两个 signal——sigkill 和 sigstop——不能阻塞

Process Scheduling

  • 目的：最大化利用 CPU；上下文切换快速
  • 实现：process scheduler 将 READY queue 上的某个进程放到 CPU core 上去执行
  • 维护 scheduling queues for processes，包含 READY 和 WAIT 两种 queues
    • READY: set of all processes residing in main memory, ready and waiting to execute
    • event-WAIT: set of processes waiting for an event (i.e. I/O)
    • 进程会在不同 queues 上迁移

队列结构

进程在不同队列之间迁移