深入了解Linux进程管理：数据结构揭秘 (linux进程管理数据结构)

Linux作为一种被广泛使用的操作系统，进程管理是其中最基本且重要的组成部分之一。其内部也有一套完善的管理机制，架构清晰，难度不小。本篇文章将从数据结构的角度深度探讨Linux进程管理的实现原理。

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进程的概念

在深入了解进程管理的实现机制之前，有必要先了解一下进程的概念。进程是指正在运行的程序实例。在Linux系统中，每个进程都有一个唯一的进程号 (PID)，并且它们有各自的上下文环境，包括寄存器、内存、打开文件等。

进程控制块（Process Control Block，PCB）

进程控制块是Linux内核中管理进程的重要数据结构，其记录了进程的各种状态信息和系统资源占用情况。每个进程都对应有一个PCB，所有的PCB的被称作进程表。

PCB的主要组成部分包括：

1.进程状态：记录当前进程的状态信息，如运行、等待等。

2.程序计数器 (Program Counter， PC)：指向进程下一条要执行的指令地址。

3.寄存器：包括通用寄存器、指针、标志寄存器等。

4.堆栈指针 (Stack Pointer, SP)：指向进程当前的运行堆栈。堆栈是一个连续的内存区域，用于存储程序调用的嵌套信息，如函数调用、返回地址等。

5.进程优先级：用于控制进程调度顺序的参数。

6.进程组和会话：用于记录进程所属的进程组和会话信息。

7.打开文件：所有打开的文件、设备等信息，包括文件描述符和访问权限等。

8.进程特定数据：用于存储用户定义的进程相关数据。

进程表

进程表是Linux系统中保存所有进程PCB的数据结构，下面是一份简化版进程表结构：

struct task_struct { // 进程控制块

// 进程状态

volatile long state;

// 进程描述符

struct desc_struct tss;

// 进程堆栈指针

unsigned long esp0, ss0;

// 进程内存页表指针

struct page_table *pgd;

// 进程ID

pid_t pid;

// 进程名字

char comm[TASK_COMM_LEN];

// 进程用户ID和组ID

uid_t uid,euid,suid,fsuid;

gid_t gid,egid,sgid,fsgid;

// 父进程ID和子进程ID

pid_t ppid,pgrp,session,tty_old_pgrp;

pid_t sid;

// 进程状态标志

unsigned long flags;

};

进程状态转换

在Linux系统中，进程状态有以下几种：运行、睡眠、等待、停止和僵尸。

运行态：进程正在执行，占用着CPU。

等待态：进程暂时不执行，但因为某些原因暂时也不能被放到睡眠态。

睡眠态：进程睡眠而且当前进程不再占用CPU。进程会将自己加入到等待队列中，然后进入睡眠，等待唤醒。

停止态：进程被停止，对应的进程号（PID）被收回。

僵尸态：进程已终止，但其在进程表中仍然留存一段时间，等待其父进程读取终止状态。

进程调度

进程调度是操作系统内核实现进程管理和优先级控制的最主要机制之一。进程调度包括进程进入运行态和离开运行态两个过程。进入运行态是指进程从等待态或睡眠态变为运行态，离开运行态是指进程被抢占或者主动调用休眠等待系统操作引起。

进程调度的实现主要依赖于进程调度算法和硬件的支持。在Linux中，进程调度器实现了多种进程调度算法，如先进先出（FIFO）、最短作业优先（SJF）、时间片（RR）以及完整动态优先级（CFS）等。

本文详细介绍了Linux内核中进程管理的实现原理，包括进程控制块、进程表、进程状态转换以及进程调度等基础概念和数据结构。阅读本文可以深入了解Linux操作系统中进程管理的内部机制和实现方式，对于研究Linux内核以及进程控制和资源管理有很大的帮助。

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操作系统工作的基础：

1、存储程序计算机

冯.诺伊曼首先提出了“存储程序”的概念，按照存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容，按地址顺序取出存放在内存储器中的指令（按地址顺序访问指令），然后分析指令，执行指令的功能，遇到转移指令时，则转移到转移地址，再按地址顺序访问指令（程序控制）。linux操作系统就是以存储程序计算机的工作原理为基础去管理整个计算机以及整个计算机的执行工作流程。

存储程序计算机以运算单元为中心， 采用存储程序原理，存储器是按地址访问、线性编址的空间，控制流由指令流产生， 指令由操作码和地址码组成，数据以二进制编码。（）

2、堆栈

堆栈（此处不同于数据结构的中堆栈）是内存中的一段存储区域。堆栈用到的寄存器主要有%esp和%ebp，c语言中堆栈机制主要用于函数调用中上一层函数相关寄存器（包括堆栈相关寄存器，eip寄存器等）的保存，以便从调用函数返回至上一层函数，堆栈还会保拿锋渣存调用函数的参数以及函数中创建的局部变量。

操作系统中的堆栈分为用户态堆栈和内核态堆栈，而程序的执行又是以进程为单位来执行的，操作系统使每个进程有各自独立的4G地址空间，0~3G为用户态，3G~4G为内核态，Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程内核堆栈。当我们进行系统调用或其他中断时内核栈会保存用户栈的寄存器信息以及返回地址等信息，当内核进行进程调度切换上下文时堆栈会保存前一个进程的上下文，再载入下一进程的上下文。

3、中断

中断机制最初是未解决计算机和外设的处理速度不匹配问题，为了提高cpu的工作效率，操作系统引入中断机制。

处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求，然后专门等待回应的办法，显然降低内核效率。中断可以让内核不用等待硬件响应，而消悄是去执行其他事务进基渗程，当硬件处理完毕，通过中断告知CPU硬件数据准备好，CPU再切换来处理此硬件事务。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个惟一的数字标识，即中断号。从而使得操作系统能够对中断进行区分，并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样，操作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。

中断使得进程能够并发的去执行，当然，并发并不是并行，而是中断允许CPU在多个进程之间切换，大大提高了CPU的利用率。中断是多进程能够正常执行以及进程间的切换的必不可少的要素。

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