Linux内核原理-进程入门

进程

进程不仅仅是一段可执行程序的代码，通常进程还包括其他资源，比如打开的文件，挂起的信号，内核内部的数据结构，处理器状态，内存地址空间，或多个执行线程，存放全局变量的数据段等。线程是进程中活动的对象，每个线程都拥有一个独立的程序计数器，进程炸，和一组进程寄存器。内核调度的对象是线程，而不是进程。传统的Unix系统中一个进程只包含一个线程。对于linux而言，线程只不过是一种特殊的进程罢了。在linux系统中通过fork()来复制现有进程的资源和创建一个新的进程。随后调用exec这组函数创建自己的地址空间最后载入要运行的程序,在linux中fork其实是clone系统调用来实现。程序执行完毕后使用exit退出执行，父进程调用wait或waitpid来等待子进程结束，并回收其资源。

进程描述符及任务结构

在linux内核中，使用了一个task_struct结构体来描述进程信息，并且通过双向循环链表将所有的进程连接起来。一个task_struct描述了进程打开文件信息，状态信息，地址空间信息，挂起的信号，进程的状态等等。

进程之间的关联如下图:

进程描述符的分配

在linux中进程描述符task_struct是通过slab分配器来进行分配的，这样可以达到对象复用和缓存着色的效果。task_struct这个结构体本身就很大，这个结构体在内核中会不断的进行分配和释放，这样很不高效，使用了salb分配器后只需要进行分配释放是没有开销的，slab释放了task_struct只是放在其对象池中，并没有真正释放。然后在2.6内核之前,task_struct的分配和释放不是通过slab分配器，而是直接放在内核栈的栈底，这样就可以通过栈顶指针很快的计算出task_struct的地址，因为在内核中task_struct是最经常要访问的数据结构，所以需要一个机制很快的获取当前进程的task_struct结构体的地址，在x86这种体系结构中，因为寄存器的缺乏没有独立的寄存器用来存放task_struct的地址，所以就通过这种方式来快速计算，在PowerPC系列的计算机中则是使用一个寄存器来存放task_struct的地址。在2.6内核后为了避免动态内存分配和释放所带来的资源消耗，采用了slab分配器来管理task_struct结构体，但是为了快速计算task_struct的地址，linux在栈低存放了一个thread_info结构 在这个结构中第一个元素就是当前的task_struct地址，这样就可以很快的计算出task_strcut的地址，并且task_struct交由slab分配器来管理，可以避免资源消耗。

获得thread_info地址的方法

下面是进程内核栈的图示:

进程的状态

在task_struct中的state字段表示的就是进程的状态

在这里使用了volatile来修饰state变量,主要是因为state需要实时从内存访问最新的值，而不是读取寄存器中的这个值默认gcc会对其进

行优化，将state的值读入寄存器，每次访问寄存器中值，但是在多线程的环境中，state的值随时可能会改变，所以加入了volatile来修

饰。从注释可以看出 state有三个值,-1 0 或者大于0,分别表示不可运行，就绪，停止,对于停止又细分出很多种,可以看下内核中对进程状态的定义:

进程状态转化如下图:

,,内核中一些操作进程状态的函数:

注:对于内存屏障可以参考这篇博文，更多关于内存屏障的知识可以谷歌

进程的上下文

所谓的进程上下文其实就是进程的当前状态，一组状态数据而已，在进程切换的时候，保存当前进程的数据，载入要切换进程的数据，这样就可以实现进程的切换。状态数据通常包含CPU所有寄存器的值，进程的状态，堆栈中的内容等等。

内核页表和进程页表，每个进程都有自己的页表，放在task_struct.pgd中，内核页表放在init_mm.pgd在保护模式下，从硬件角度看，其运行的基本对象为”进程”(或线程，而寻址则依赖于”进程页表”，在进程调度而进行上下文切换时，会进行页表的切换：即将新进程的pgd(页目录)加载到CR3寄存器中。内核页表中的内容为所有进程共享，每个进程都有自己的”进程页表”，”进程页表”中映射的线性地址包括两部分：用户态，内核态．其中内核态地址对应的相关页表项，对于所有进程来说都是相同的(因为内核空间对所有进程来说都是共享的)，而这部分页表内容其实就来源于”内核页表”，即每个进程的”进程页表”中内核态地址相关的页表项都是“内核页表”的一个拷贝。

Linux内核代码详解，。早期的Linux内核引导代码只有bootsect.s、setup.s、head.s这3个文件，这三个文件都是Linus在1991年左右亲手写的。后来的代码虽然进行了加固，但是原型还是这几个。

Linux内核源代码

1. 首先要查看内核版本号：

【root@localhost ~】# uname -r // 查看内核版本号或者uname –a

如果是RHEL5的话内核应该是 2.6.18-8.el5xen

2. 已经知道自己的内核是“2.6.18-8.el5xen”，可以去此网站

http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.16.8.tar.gz 下载到符合自己系统的内核源码。

3. 用【root@localhost ~】＃tar zxvf linux-2.6.16.8.tar.gz -C /usr/src

将文件解压到指定目录/usr/src。

4. 进入/usr/src目录下，用【root@localhost ~】＃mv linux-2.6.18.8 linux将解压好的文件夹名“linux-2.6.18.8”改变成“linux”。

5. 进入/usr/src/linux目录下。分别运行：

make mrproper

make oldconfig

make

执行第二个命令时碰到提示一路回车就行，第三个命令如果要完全执行完的话，可能会需要几个小时，最好让它编译完毕之后，再装虚拟机工具。如果在make刚开始执行时，即使生成了version.h和utsrelease.h，若按Ctrl+C强行退出编译。在安装完VM-ware Tools后，很可能导致系统无法正常启动。

6. 编译完毕后，进入
/usr/src/linux/include/linux，用【root@localhost ~】＃vi utsrelease.h （按i是插入，修改完后按Esc，然后按Shift+:，输入wq!按回车，修改完毕可以用＃more utsrelease.h查看是否修改成功）将里面的版本号改成2.6.18-8.el5xen。

同上再修改version.h，在原来的基础上增加一行#define UTS_RELEASE "2.6.18-8.el5xen"，保存退出。

7. 重新启动系统，如果不重启，在安装VM-ware Tools后可能会碰到一些问题

8. 重启后就可以正常安装VM-ware Tools了。

9. 假如要改变分辨率，运行
/usr/bin/vmware-config-tools.pl即可修改。

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