Linux内核中的进程调度-进程调度基础

定义: 内核线程是直接在内核空间运行的线程，它没有独立的用户空间，主要执行内核任务，不与任何特定的用户进程关联。内核线程通常用于执行内核维护工作，如定时器中断处理、I/O调度、垃圾回收等后台服务。
特点: 没有自己的地址空间，所有内核线程共享内核地址空间，可以直接访问硬件资源，但不能执行用户态的代码。

用户进程和用户线程：

用户进程：用户进程是运行在用户空间的应用程序实例，它拥有独立的地址空间、打开的文件描述符集合以及其他系统资源。一个用户进程可以包含一个或多个线程（无论是内核线程还是用户线程/LWP）。
用户线程：用户线程是在用户空间创建和管理的线程，存在于进程的地址空间内部。用户线程由进程自己或用户空间的线程库（如POSIX Pthreads）创建和调度，而非由操作系统内核直接管理。用户线程依赖于用户态的线程库实现上下文切换，速度相对较慢。早期的用户线程在没有内核支持的情况下，如果其中一个线程阻塞在系统调用上，会导致整个进程阻塞。

轻量级进程和用户线程的关系：

在Linux系统中，当你使用用户层的线程库（如POSIX Pthreads）创建用户线程时，大多数情况下（特别是使用Native POSIX Thread Library，NPTL时），操作系统会在内核层面对应地创建一个内核线程。NPTL实现了用户线程与内核线程的1:1映射关系，意味着每个用户线程都有一个与之紧密耦合的内核线程。

内核通过维护内核线程来确保线程的调度、上下文切换、系统调用响应等功能。这样一来，当用户线程执行系统调用或发生阻塞时，内核能够透明地调度另一个线程继续执行，避免了用户级线程模型可能导致的整个进程被阻塞的问题。此外，由于内核直接参与调度，还能保证线程在多处理器环境下的公平性和高效性。

注意：在Linux环境下，为了统一和简化表述，现代Linux内核并不区分内核进程和用户进程，一般所说的进程均包含了内核层面的支持，并且Linux内核支持的线程模型多数情况下是指LWP，即每个用户级线程背后都有一个对应的内核线程作为支撑。而在Linux内核视角看，所有的执行实体都被视为进程（task），无论是否执行用户代码还是内核代码，这被称为"一切皆进程"的哲学。因此，所谓的“用户线程”在Linux中表现为具有独立调度实体的LWP。而线程组的概念更多出现在高级编程接口或者性能测试工具中，而不是内核核心概念。

2.进程查看命令

①、ps (Process Status)： ps命令是Linux及类Unix系统中最基础的进程查看工具之一，它提供了当前系统中进程状态的一次性快照视图。通过不同的选项，您可以获取到不同级别的进程信息。以下是一些常用选项及其作用：

-e 或 --every：显示系统中所有的进程。
-f 或 --full：提供完整的格式输出，包括进程树状关系和环境变量等额外信息。
-l 或 --long：长格式输出，包含更多详细信息，如F旗表示进程正在等待文件锁。
-u 或 --user：按照用户来显示进程，并显示每个进程的CPU和内存使用情况。
-aux 是一个常见的组合选项，用于显示系统中所有用户的全部进程，包括后台进程（不与终端关联的进程）。

例如，ps -ef 将显示出当前系统中所有进程的详细信息，包括PID（进程ID）、PPID（父进程ID）、TTY（终端类型）、CWD（当前工作目录）、CMD（启动命令）等字段。

②、top：相比之下，top命令则提供了一个动态实时的视图，它可以持续不断地刷新并显示当前系统中各进程的资源使用情况。启动top命令后，您将看到一个全屏界面，其中包括：

进程列表：按照默认排序（通常是CPU使用率或优先级）列出正在运行的进程及其相关信息，如PID、USER（执行进程的用户）、PR（优先级）、NI（nice值，影响优先级）、VIRT（虚拟内存大小）、RES（常驻内存大小）、%CPU和%MEM（CPU和内存使用百分比）等。
系统总体状态：包括系统运行时间、登录用户数、系统负载、CPU和内存的整体使用状况等统计数据。
交互式操作：在top运行过程中，用户可以通过键盘输入相应的命令（如按P键切换到按CPU使用率排序，按M键切换到按内存使用率排序，或使用k键杀死指定进程等）来进行进一步的进程管理和监控。

总结起来，ps命令更适合一次性快速查看特定进程或系统某一时刻的进程状态，而top命令则是实时监控和管理系统性能的理想工具，尤其是在需要跟踪和调整进程资源占用时更为实用。

3.总结

进程的几个要素：

有一段程序待其执行
有进程专用的系统堆栈空间
在内核有task_struct结构体
进程有独立的存储空间，拥有专用的用户空间

如果具备前面三条而缺少第4条就可以称为线程“”，如果完全没有用户空间，就称为“内核线程 ”，如果共享用户空间就称为“用户线程” 。

二、进程的生命周期

1.进程状态文字描述

Linux操作系统属于多任务操作系统，系统中的每个进程能够分时复用CPU时间片，通过有效的进程调度策略实现多任务并行执行。而进程在被CPU调度运行，等待CPU资源分配以及等待外部事件时会属于不同的状态。进程状态如下:

创建状态：新进程刚刚被创建，尚未开始执行。

就绪状态：进程已准备好所有必需资源，等待CPU分配时间片执行。

执行状态：进程已获得CPU资源并在其中运行。

阻塞状态：进程因等待某个资源或事件而暂时停止运行，从CPU队列中移除。

终止状态：进程已完成执行或被终止，不再存在。

2.进程状态程序中的体现

#define TASK_RUNNING			0x00000000
#define TASK_INTERRUPTIBLE		0x00000001
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE	0x00000002
#define __TASK_STOPPED			0x00000004
#define __TASK_TRACED			0x00000008

TASK_RUNNING 表示进程处于可运行状态。这意味着进程已经准备好在CPU上执行，并且调度器可以选择它来进行运行。当进程获取到CPU时间片时，它就会进入运行状态。
TASK_INTERRUPTIBLE 表示进程处于可中断睡眠状态。这种状态下，进程正在等待某个事件发生（例如I/O操作完成、锁可用等），并且如果收到信号或者等待的条件满足，它可以被唤醒并重新加入到可运行队列中。在可中断睡眠期间，进程可以响应信号并改变其状态。
TASK_UNINTERRUPTIBLE 表示进程处于不可中断睡眠状态。类似可中断睡眠，进程同样在等待某种资源或事件，但是在此状态下，进程不会响应任何信号，即使接收到信号也不会立即醒来，除非等待的资源变为可用或特定条件达成。
__TASK_STOPPED 标志意味着进程已停止执行，通常是因为收到了SIGSTOP或SIGTSTP这样的停止信号，或者是调试器暂停了进程。停止的进程不会消耗CPU资源，直到收到SIGCONT信号恢复执行。
__TASK_TRACED 表示进程正在被调试器或其他跟踪工具追踪，并进入了跟踪停止状态。在这种状态下，进程同样不会执行，等待调试器的进一步操作，比如单步执行、继续执行等。

这些状态标志会被组合在一个进程控制块（PCB，在Linux内核中表现为task_struct结构体的一个成员变量state）中，以表示进程的当前状态。调度器根据这些状态决定何时何地将进程投入运行或从运行状态移除。在实际的内核源码中，为了准确反映进程状态，这些宏可能会与其他标志位一起使用或组合起来形成更复杂的状态标识。

3.进程状态的切换

如下图，便是进程进行状态之间的切换，这些工作都是有调度器来完成的。

三、task_struct数据结构简述

1.数据结构成员简述

进程是操作系统调度的一个实体，需要对进程所必须资源做一个抽象化，此抽象化为进程控制块 (PCB，Process Control BLock) ，PCB在Linux内核里面采用task_struct结构体来描述进程控制块。Linux内核涉及进程和程序的所有算法都围绕名为task_struct的数据结构而建立操作。具体Linux内核源码task_struct结构体核心成员如下（task_struct结构体过于庞大，暂时了解几个重要成员）task_struct定义在include\linux\sched.h:

__state：表示当前进程状态，例如可运行、睡眠、僵死等。
stack：指向进程的内核栈。
usage：引用计数，用于跟踪进程使用情况。
prio、static_prio和normal_prio：描述进程的调度优先级和策略。
se、rt和dl：分别对应CFS（完全公平调度器）、实时调度和Deadline调度的调度实体。
mm：指向进程的内存描述符结构（mm_struct），管理进程的虚拟内存。
active_mm：在没有独立内存空间时，指向当前活动的内存描述符。
exit_state、exit_code和exit_signal：进程退出时的状态、退出码和发送给父进程的信号。
pid和tgid：分别代表进程ID和线程组ID。
real_parent、parent、children和sibling：用于构建进程间的父子、兄弟关系，形成进程树。
files：指向进程打开的文件表，即files_struct结构体，记录所有已打开的文件描述符。
signal和sighand：管理和处理进程接收到的信号。
blocked、real_blocked和saved_sigmask：记录进程当前屏蔽的信号集合。
nsproxy：命名空间代理，用于管理和切换不同命名空间。
fs：指向文件系统信息结构，记录进程的当前工作目录、根目录等文件系统相关信息。
其他字段还包括了进程的调度统计信息、时间统计、内存页面错误统计、POSIX定时器、安全特性、审计信息等。

2.需要注意的成员：

内存块指针，特殊的是对于内核线程而言的mm是空指针，active_mm是内核线程在运行的时候向进程借用的地址空间：

struct mm_struct		*mm;
struct mm_struct		*active_mm;

3.进程优先级

①、优先级的代码表示

描述进程的调度优先级和策略，之后的任务调度以及时间片分配都要用到优先级：

	int				prio;
	int				static_prio;
	int				normal_prio;
	unsigned int	rt_priority;

int prio: 这个字段代表进程的动态优先级，它是根据进程的行为和系统负载动态调整的。在传统的Linux调度器（如CFS调度器）中，这个优先级通常被映射到调度实体（sched_entity）的一个虚拟运行时间（vruntime），而不是一个直观意义上的数字大小，较大的vruntime意味着较低的优先级。
int static_prio: 静态优先级，也称为nice值，在Linux中范围是-20至19，数值越小表示优先级越高。静态优先级可以通过nice值或者用户权限改变，但不会像动态优先级那样频繁变化。
int normal_prio: 此字段在某些Linux调度器实现中可能用来表示经过nice值调整后的正常优先级，它结合了静态优先级和可能的额外优先级调整因素。
unsigned int rt_priority: 实时优先级，仅适用于实时调度策略（如SCHED_FIFO或SCHED_RR）。实时进程有固定的优先级分配，rt_priority值越大，表示进程的实时优先级越高，抢占其他进程的可能性也就越大。实时进程一般不受nice值的影响，其优先级高于普通进程。在实时调度策略下，rt_priority用于确定进程在实时进程队列中的相对位置。

②、Linux内核下的进程分类

在Linux内核中，进程可以按照其调度需求和优先级的不同分为不同的类别，主要包括：

普通进程（Normal Process）：
- 又称为分时进程，这类进程在Linux系统中遵循默认的分时调度策略，如CFS（Completely Fair Scheduler）。它们按照各自权重（nice值）和虚拟运行时间（vruntime）来获取CPU时间片。nice值可以在[-20, 19]范围内调整，数值越小，优先级越高，但总体来说，普通进程之间是公平共享CPU资源的。
实时进程（Real-time Process）：
- 实时进程在满足特定条件的情况下需要得到及时响应，具有更高的优先级。Linux内核提供两种实时调度策略：SCHED_FIFO（先进先出）和SCHED_RR（轮转调度）。
  - SCHED_FIFO：实时进程中，优先级高的进程总是优先执行，一旦开始运行，除非进程主动放弃CPU（如阻塞等待I/O或睡眠），否则不会被优先级相同或更低的其他进程抢占。
  - SCHED_RR：同样是实时进程，但它在用完时间片后会重新加入队列等待下一次调度，这样可以保证在相同优先级的实时进程中实现时间片轮转。
限期进程（Deadline Process）：
- 在一些文献和系统中，也可能提到限期进程这一概念，它指的是那些具有严格截止时间要求的任务，必须在规定时间内完成。在Linux内核的标准调度器中并没有直接的限期调度策略，但在实时扩展（如PREEMPT_RT补丁集）的支持下，可以通过特殊的实时调度策略或者其他方法模拟实现这种功能。实际应用中，这种类型的进程通常归入实时进程范畴，通过设定合适的实时优先级并配合调度算法确保其能够在截止时间前完成计算。

③、优先级的在不同类型进程的分配

限期进程的优先级是-1;
实时进程的优先级1-99，优先级数值最小，表示优先级越高；
普通进程的静态优先级为: 100-139，优先级数值越小，表示优先级越高，可通过修改nice值改变普通进程的优先级，优先级等于120加上nice值；

限期进程的优先级比实时进程要高，实时进程的优先级比普通进程要高

下表就是描述了不同进程对应的优先级成员的变化：

五、进程系统调用

进程的系统调用定义在kernel/fork.c文件里面

1.系统调用简述和框图

当运行应用程序的时候，调用fork（）/vfork（）/clone（）函数就是系统调用。系统调用就是应用程序如何进入内核空间执行任务，程序使用系统调用执行一系列的操作: 比如创建进程、文件IO等等。

系统调用框图（使用Linux版本为6.1的内核，不同的内核其系统调用有点差异）如下所示：

2.系统调用的代码体现

①、fork系统调用代码

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
	struct kernel_clone_args args = {
		.exit_signal = SIGCHLD,
	};

	return kernel_clone(&args);
#else
	/* can not support in nommu mode */
	return -EINVAL;
#endif
}

②、vfork系统调用代码

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_VFORK
SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
	struct kernel_clone_args args = {
		.flags		= CLONE_VFORK | CLONE_VM,
		.exit_signal	= SIGCHLD,
	};

	return kernel_clone(&args);
}
#endif

③、clone系统调用代码

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
#ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
		 int __user *, parent_tidptr,
		 unsigned long, tls,
		 int __user *, child_tidptr)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
		 int __user *, parent_tidptr,
		 int __user *, child_tidptr,
		 unsigned long, tls)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)
SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
		int, stack_size,
		int __user *, parent_tidptr,
		int __user *, child_tidptr,
		unsigned long, tls)
#else
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
		 int __user *, parent_tidptr,
		 int __user *, child_tidptr,
		 unsigned long, tls)
#endif
{
	struct kernel_clone_args args = {
		.flags		= (lower_32_bits(clone_flags) & ~CSIGNAL),
		.pidfd		= parent_tidptr,
		.child_tid	= child_tidptr,
		.parent_tid	= parent_tidptr,
		.exit_signal	= (lower_32_bits(clone_flags) & CSIGNAL),
		.stack		= newsp,
		.tls		= tls,
	};

	return kernel_clone(&args);
}
#endif

3.进程退出

①、进程主动终止: 从main()函数返回，链接程序会自动添加到exit()系统调用;

exit系统调用在内核定义如下\kernel\exit.c：

SYSCALL_DEFINE1(exit, int, error_code)
{
	do_exit((error_code&0xff)<<8);
}

②、进程被动终止: 进程收到一个自己不能处理的信号;进程收到 SIGKILL等终止信息。

4.内核线程

定义：它是独立运行在内核空间的进程，与普通用户进程区别在于内核线程没有独立的进程地址空间。task_struct数据结构里面有一个成员指针mm设置为NULL，它只能运行在内核空间。

内核创建一个内核线程代码体现如下：

/*
 * Create a kernel thread.
 */
pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
	struct kernel_clone_args args = {
		.flags		= ((lower_32_bits(flags) | CLONE_VM |
				    CLONE_UNTRACED) & ~CSIGNAL),
		.exit_signal	= (lower_32_bits(flags) & CSIGNAL),
		.fn		= fn,
		.fn_arg		= arg,
		.kthread	= 1,
	};

	return kernel_clone(&args);
}

总结

本文首先从进程的基本概念出发，深入剖析了进程所经历的各种状态及其转换机制。接下来，文章重点阐述了Linux内核中用于表示进程核心数据结构的task_struct，其中着重强调了优先级设定在进程调度中的重要作用。此外，文中还简明扼要地介绍了通过fork系统调用创建新进程的过程，以及通过exit系统调用结束进程的操作。最后，文章提及了内核线程这一特殊类型的进程，并指出其在内核任务调度中的地位。

整体来看，这篇文章为后续深入学习进程调度奠定了坚实基础，体现了循序渐进的学习原则，鼓励读者在理解内核复杂性时要有耐心，逐步积累，最终会达到快速掌握知识的目标。