linux進程調度（一）-進程概述

一、什么是進程
進程是指計算機已運行的程序。程序本身只是指令、數據及其組織形式的描述。進程就是一個程序的執行實例，也就是正在執行的程序。在linux操作系統的中，進程就是一個擔當分配系統資源CPU時間、內存的實體。進程控制的主要功能是對系統中的所有進程實施有效的管理，它具有創建新進程、撤銷已有進程、實現進程狀態之間的轉換等功能。進程在運行中不斷地改變其運行狀態。一個進程在運行期間，不斷地從一種狀態轉換到另一種狀態，它可以多次處于就緒狀態和執行狀態，也可以多次處于阻塞狀態。
目前，只有CPU的資源管理器能主動發起調度，而其他資源像內存，網絡，顯卡等資源管理器都是提供申請服務調度的，所以要必須理解我們常說的進程調度都是指調度CPU。

進程發展史的主要內容：

單道批處理系統時期：早期的計算機只支持運行單個程序，從磁帶或卡片讀入程序，由操作員操作控制運行。這種系統被稱為單道批處理系統，沒有多個程序共同運行的概念，也沒有進程的概念。
多道批處理系統時期：20世紀60年代早期，隨著計算機技術的發展，多道批處理操作系統應運而生，允許多個程序同時進入內存并在CPU上運行。這里的每個程序稱為一個作業（Job），但是沒有進程的概念。
分時操作系統時期：20世紀60年代中期，分時操作系統應運而生，引入了多用戶的概念，這為進程的發展鋪平了道路。在分時系統中，操作系統可以運行多個進程并為它們提供時間片，每個進程只有在它的時間片內獲得CPU的控制權。這一時期UNIX系統的開發者對進程進行了深入的研究。
多任務操作系統時期：20世紀80年代，多任務操作系統開始出現，這種操作系統允許多個進程同時運行，每個進程都有自己的地址空間、寄存器和堆棧等。操作系統必須管理和控制各個進程的運行狀態，這為進程的實現和管理提供了更大的靈活性和可控性。
現代操作系統時期：21世紀以來，隨著計算機技術的不斷發展，操作系統和進程的概念也在不斷更新和完善。現代操作系統支持多核處理器、多線程和分布式系統等技術，允許進程在不同的計算機上運行，進一步增強了進程的靈活性和可擴展性。同時，在容器技術的發展下，進程管理變得更加高效和簡單，如Docker等。

二、進程的生命周期
Linux操作系統是一個多任務操作系統。系統中的各個進程可以分時復用CPU時間片，通過有效的進程調度策略，實現多任務并行執行。進程并不總是可以立即運行。有時候它必須等待來自外部信號源、不受其控制的事件，例如在文本編輯器中等待鍵盤輸入。在事件發生之前，進程無法運行。進程可能有以下幾種狀態：
1.創建狀態：創建新進程。
2.等待狀態：進程能夠運行，但沒有得到許可，因為CPU分配給另一個進程。調度器可以在下一次任務切換時選擇該進程。
3.運行狀態：進程正在cpu中執行。
4.睡眠狀態：進程正在睡眠無法運行，因為它在等待一個外部事件。
5.終止狀態：進程消亡。

系統將所有進程保存在一個進程表中，無論其狀態是運行、睡眠或等待。但睡眠進程會特別標記出來，調度器會知道它們無法立即運行。睡眠進程會分類到若干隊列中，因此它們可在適當的時間喚醒，例如在進程等待的外部事件已經發生時。詳細的進程狀態間關系圖如下所示：

在這里插入圖片描述
Linux內核在include/linux/sched.h文件中也為進程定義了多種狀態：

/* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING                    0x0000
#define TASK_INTERRUPTIBLE              0x0001
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE            0x0002
#define __TASK_STOPPED                  0x0004
#define __TASK_TRACED                   0x0008
/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD                       0x0010
#define EXIT_ZOMBIE                     0x0020
#define EXIT_TRACE                      (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
/* Used in tsk->state again: */
#define TASK_PARKED                     0x0040
#define TASK_DEAD                       0x0080
#define TASK_WAKEKILL                   0x0100
#define TASK_WAKING                     0x0200
#define TASK_NOLOAD                     0x0400
#define TASK_NEW                        0x0800
#define TASK_STATE_MAX                  0x1000

其中比較常用的就是下面的5種：

TASK_RUNNING（可運行狀態）：對應上圖的等待狀態或者運行狀態。它是指進程處于可運行的狀態，或許正在運行，或許在就緒隊列（本書中也稱為調度隊列）中等待運行。
TASK_INTERRUPTIBLE（可中斷睡眠態）：對應上圖的睡眠狀態。進程進入睡眠狀態（被阻塞）來等待某些條件的達成或者某些資源的就位，一旦條件達成或者資源就位，內核就可以把進程的狀態設置成TASK_RUNNING并將其加入就緒隊列中。也有人將這個狀態稱為淺睡眠狀態。
TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中斷態）：對應上圖的睡眠狀態。這個狀態和上面的TASK_INTERRUPTIBLE狀態類似，唯一不同的是，進程在睡眠等待時不受干擾，對信號不做任何反應，所以這個狀態稱為不可中斷態。通常使用ps命令看到的被標記為D狀態的進程，就是處于不可中斷態的進程，不可以發送SIGKILL信號使它們終止，因為它們不響應信號。也有人把這個狀態稱為深度睡眠狀態。
EXIT_ZOMBIE（僵尸態）：對應上圖的終止狀態。進程已經消亡，但是task_struct數據結構還沒有釋放，這個狀態叫作僵尸態。
__TASK_STOPPED（終止態）：對應上圖的終止狀態。進程停止運行。task_struct中的資源包括task_struct數據已經釋放完了。
三、進程優先級
并非所有進程都具有相同的重要性。除了大家熟悉的進程優先級之外，進程還有不同的關鍵度類別，以滿足不同需求。首先要知道linux的進程分為以下幾種，每一種的優先級都是不一樣的：
1.期限進程：優先級為-1。優先級最高。
2.實時進程：優先級1-99，優先級數值越大便是優先級越高。
3.普通進程：優先級為100-139，優先級數值越小便是優先級越高。可以通過nice值改變普通進程優先級。
4.空閑進程：優先級為140。優先級最低。

四、進程表示
Linux內核涉及進程和程序的所有算法都圍繞一個名為 task_struct 的數據結構建立，該結構定義在 include/linux/sched.h 中。這是系統中主要的一個結構。task_struct 包含很多成員，將進程與各個內核子系統聯系起來，我們看看代碼：


struct task_struct {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK/** For reasons of header soup (see current_thread_info()), this* must be the first element of task_struct.*/struct thread_info		thread_info;//把thread_info從棧中抽出來，方便current宏的實現
#endif/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped: */volatile long			state; //表示進程的狀態標志/** This begins the randomizable portion of task_struct. Only* scheduling-critical items should be added above here.*/randomized_struct_fields_startvoid				*stack;//指向內核棧的指針refcount_t			usage;//進程描述符使用計數，被置為2時，表示進程描述符正在被使用而且其相應的進程處于活動狀態/* Per task flags (PF_*), defined further below: */unsigned int			flags;//標記，表示進程的類型unsigned int			ptrace;#ifdef CONFIG_SMPstruct llist_node		wake_entry;int				on_cpu;
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK/* Current CPU: */unsigned int			cpu;//當前運行的cpuid
#endifunsigned int			wakee_flips;unsigned long			wakee_flip_decay_ts;struct task_struct		*last_wakee;/** recent_used_cpu is initially set as the last CPU used by a task* that wakes affine another task. Waker/wakee relationships can* push tasks around a CPU where each wakeup moves to the next one.* Tracking a recently used CPU allows a quick search for a recently* used CPU that may be idle.*/int				recent_used_cpu;//上一次調度時使用的cpuidint				wake_cpu;
#endifint				on_rq;int				prio;//進程的當前優先級。一般等于normal_prio，但是當進程A占有互斥鎖并且進程B在等待鎖的時候，會把A進程的優先級臨時提高int				static_prio;//普通進程的靜態優先級，就是120+nice，若是限期進程或者實時進程則為0int				normal_prio;//普通進程的正常優先級，一般等于static_prio，若是限期進程則為-1，若是實時進程，則為99-rt_priorityunsigned int			rt_priority;//實時進程的優先級，數值越大優先級越高，如果是限期進程或者普通進程，則為0const struct sched_class	*sched_class;//進程的調度類struct sched_entity		se;//普通進程的調度實體struct sched_rt_entity		rt;//實時進程的調度實體
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHEDstruct task_group		*sched_task_group;//指向進程所在的cgroup
#endifstruct sched_dl_entity		dl;//deadline進程的調度實體#ifdef CONFIG_UCLAMP_TASK/* Clamp values requested for a scheduling entity */struct uclamp_se		uclamp_req[UCLAMP_CNT];/* Effective clamp values used for a scheduling entity */struct uclamp_se		uclamp[UCLAMP_CNT];
#endif#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS/* List of struct preempt_notifier: */struct hlist_head		preempt_notifiers;
#endif#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACEunsigned int			btrace_seq;
#endifunsigned int			policy;//進程調度策略int				nr_cpus_allowed;//該進程允許使用的cpu的數量const cpumask_t			*cpus_ptr;//表示該進程允許在哪個cpu上運行cpumask_t			cpus_mask;//表示該進程不允許在哪個cpu上運行...struct sched_info		sched_info;//記錄進程運行時的實時信息struct list_head		tasks;//進程鏈表
#ifdef CONFIG_SMPstruct plist_node		pushable_tasks;struct rb_node			pushable_dl_tasks;
#endifstruct mm_struct		*mm;//指向內存描述符，如果是內核進程，則為空struct mm_struct		*active_mm;//指向內存描述符，如果是內核進程，則指向從進程借用的內存描述符/* Per-thread vma caching: */struct vmacache			vmacache;#ifdef SPLIT_RSS_COUNTINGstruct task_rss_stat		rss_stat;
#endifint				exit_state;//進程的退出狀態，int				exit_code;//進程的終止代號int				exit_signal;//進程接受到的退出信號/* The signal sent when the parent dies: */int				pdeath_signal;//表示當父進程死亡時要發送的信號，然后托管給0進程/* JOBCTL_*, siglock protected: */unsigned long			jobctl;
...unsigned long			atomic_flags; /* Flags requiring atomic access. */struct restart_block		restart_block;pid_t				pid;//表示該進程的進程號pid_t				tgid;//表示該進程的線程號#ifdef CONFIG_STACKPROTECTOR/* Canary value for the -fstack-protector GCC feature: */unsigned long			stack_canary;
#endif/** Pointers to the (original) parent process, youngest child, younger sibling,* older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with* p->real_parent->pid)*//* Real parent process: */struct task_struct __rcu	*real_parent;//指向創建進程的進程描述符（生父進程），如果生父進程不存在了，指向進程1（systemd進程）/* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */struct task_struct __rcu	*parent;//指向進程的當前父進程，一般和real_parent一致，只有在調試的時候指向調試的進程/** Children/sibling form the list of natural children:*/struct list_head		children;//指向該進程的子進程鏈表struct list_head		sibling;//指向進程的兄弟進程struct task_struct		*group_leader;//一般是指向自己，如果該進程是用戶創建的線程，則指向創建線程的進程.../* Process credentials: *//* Tracer's credentials at attach: */const struct cred __rcu		*ptracer_cred;/* Objective and real subjective task credentials (COW): */const struct cred __rcu		*real_cred;//指向客觀和真實的主觀任務憑證/* Effective (overridable) subjective task credentials (COW): */const struct cred __rcu		*cred;//指向有效的主觀任務憑證#ifdef CONFIG_KEYS/* Cached requested key. */struct key			*cached_requested_key;
#endif/** executable name, excluding path.** - normally initialized setup_new_exec()* - access it with [gs]et_task_comm()* - lock it with task_lock()*/char				comm[TASK_COMM_LEN];//進程的名稱struct nameidata		*nameidata;#ifdef CONFIG_SYSVIPCstruct sysv_sem			sysvsem;//用于信號量struct sysv_shm			sysvshm;//用于共享內存
#endif
#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASKunsigned long			last_switch_count;unsigned long			last_switch_time;
#endif/* Filesystem information: */struct fs_struct		*fs;//指向進程的當前工作目錄/* Open file information: */struct files_struct		*files;//打開的文件/* Namespaces: */struct nsproxy			*nsproxy;//命名空間/* Signal handlers:主要用于信號處理 */struct signal_struct		*signal;//指向進程的信號描述符struct sighand_struct		*sighand;//指向進程的信號處理程序描述符sigset_t			blocked;//表示被阻塞信號的掩碼sigset_t			real_blocked;//臨時掩碼/* Restored if set_restore_sigmask() was used: */sigset_t			saved_sigmask;//使用了set_restore_sigmask()則恢復的掩碼struct sigpending		pending;//存放私有掛起信號的數據結構unsigned long			sas_ss_sp;//信號處理程序備用堆棧的地址size_t				sas_ss_size;//堆棧的大小unsigned int			sas_ss_flags;//堆棧的標志位struct callback_head		*task_works;
...
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
# define MAX_LOCK_DEPTH			48ULu64				curr_chain_key;int				lockdep_depth;//表示獲取大內核鎖的次數unsigned int			lockdep_recursion;struct held_lock		held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
#endif
...
};