Linux2.6内核代码分析――进程管理

摘要:随着计算机开发以及教学工作的深入,大家也不可避免的要接触到基于Linux内核的各种操作系统。如何迈入Linux的大门,并充分利用Linux开源、灵活等特性呢?解读内核源码无疑是理解并掌握linux的关键。本篇文章,主要是对Linux内核进程管理部分进行笼统的解读,帮助读者快速掌握Linux进程管理的主线,对读者的理解起到抛砖引玉的作用。

关键词:linux2.6;内核代码;进程管理

一

Linux是最受欢迎的自由电脑操作系统内核。它是一个用C语言写成,符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux最早是由芬兰黑客 Linus Torvalds为尝试在英特尔x86架构上提供自由免费的类Unix操作系统而开发的。技术上说Linux是一个内核。“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统,或是GNU/Linux。

Linux内核的主要模块(或组件)分以下几个部分:存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信,以及系统的初始化(引导)、系统调用等。一般地,可以从Linux内核版本号来区分系统是否是Linux稳定版还是测试版。以版本2.4.0为例,2代表主版本号,4代表次版本号,0代表改动较小的末版本号。在版本号中,序号的第二位为偶数的版本表明这是一个可以使用的稳定版本,如2.2.5,而序号的第二位为奇数的版本一般有一些新的东西加入,是个不一定很稳定的测试版本,如2.3.1。这样稳定版本来源于上一个测试版升级版本号,而一个稳定版本发展到完全成熟后就不再发展。本文是针对2.4.0版本内核进行分析。有于篇幅有限阅读前需要读者自行下载相应内核源码。

Linux内核可分为三类,即硬件(异常)中断处理文件,系统调用服务文件,及通用功能文件。其中通用类程序包括以下五种:sched.c、mktime.c、panic.c、printk.c、vsprintf.c。这其中的sched.c程序是内核的核心调度程序,主要用作切换进程或改变进程执行状态。schedule.c下有linux内核调用最频繁的三个函数,分别是:schedule()、sleep_on()、wakeup()

二

schedule()函数首先对所有进程进行检测,唤醒任何一个已经得到信号的任务。主要是任务数组中的每个进程,检测其报警定时值alarm。若alarm

随后的调度函数是代码核心部分。这部分代码根据进程时间片和优先权调度机制,来选择随后要执行的任务。他首先循环检测任务数组中所有任务,根据每个就绪态任务剩余执行时间(counter),选取最大counter值的任务,并利用switch_to()函数切换到任务。若所有任务counter值都为0,表示此刻所有任务的时间片都已经用完,则格局任务优先权值(priority),重置每个人物运行时间片值,再重新检测搜有任务执行时间片值。以下是代码中主要函数及结构的功能:(参见/include/linux/sched.h、/kernel/sched.c)

(1) void sched_show_task(struct task_struct *p)/*显示任务nr的进程号、进程状态和内核

/*空闲字节数

(2) void show_state_filter(unsigned long state_filter)/*显示所有任务的任务号、进程号、进程状态及内核对咱空闲字节数*/

(3) task_struct定义在/include/linux/sched.h中 Linux的进程控制块task_struct包含有进程的描述信息、控制信息以及资源信息,是进程的静态描述。进程控制块包括:进程标识符、优先级、堆栈空间、进程状态四部分。其重要成员为state(volatile long state)

……

2.6中新增了两种状态:TRACED、DEAD

TASK_DEAD是表示已经退出且不需父进程回收的进程的状态。而TASK_TRACED则供调试使用。TASK_ZOMBIE―一个已经终止的但仍保留有任务结构的进程;TASK_RUNNING―就绪态;TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNITERRUPTIBLE―不同深度的睡眠态;TASK_STOPPED―描述一个已经停止的进程,当进程接收到一个特殊信号或被使用ptrace系统调用的进程监控,并将控制权交给监控进程

(4) 关于优先级,prio是进程的动态优先级,是调度器选择候选进程next的主要依据; static_prio则是进程的静态优先级, 应该是进程开始时从父程继承来的。kernel/sched.c中定义了两个宏来完成将nice转换到prio的取值区间和将prioity转换到nice取值区间。

则可以看出prioity和nice的关系是:priority = MAX_RT_PRIO+nice+20。

进程优先级分实时和非实时两部分,两者不能混淆使用。

(5) run_list成员。

include/linux/list.h定义了一种抽象的双向链表struct list_head,通过它可以将任意类型的结构体链接到一起。task_struct也是通过这种方式链接起来的。

(6)activated成员

int activated;

表示进程因什么原因进入就绪态,这一原因会影响到调度优先级的计算。activated 有四个值:

-1,进程从 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态被唤醒;

0,缺省值,进程原本就处于就绪态;

1,进程从 TASK_INTERRUPTIBLE 状态被唤醒,且不在中断上下文中;

2,进程从 TASK_INTERRUPTIBLE 状态被唤醒,且在中断上下文中。

TASK_INTERRUPTIBLE 状态进程由中断激活,则该进程最有可能是交互式的,因此,置 activated=2;否则置activated=1。

如果进程是从 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态中被唤醒的,则 activated=-1(在try_to_wake_up()函数中)。

(7) 就绪进程队列 runqueue

内核为每CPU的数据结构,每个处理器都维护一个自己的就绪队列。定义在/kernel/sched.c 中。

注:i.其中nr_running为队列进程个数,本就绪队列中就绪进程的个数。它是active队列和expired队列就绪进程个数的和: nr_running = active->nr_active

+ expired->nr_active

ii.prio_array_t *active, *expired, arrays[2];// 两个子队列

就绪队列根据时间片是否被用完分为了active队列和expired队列。queue是指定优先级进程list的指针,如queue[i]就是priority为 i 的进程的指针。bitmap是一张优先级的位图,或者可以说的位数组,每一位代表了一个优先级(类似uC/OS-II)。

MAX_PRIO指的是优先级的数量.

(8) 还有两个重要函数:sleep_on()、wakeup()分别用于自动进入睡眠,及唤醒进程,较schedule()难理解,由于篇幅有限,不再赘述。

以上是对Linux 2.4.0版本内核源码进程管理部分的概括分析,主要用来为Linux源码解读做一个引导,起到抛砖引玉的作用。但是由于时间,篇幅等种种原因,无法将全部函数调用以及相关代码一一呈现在读者面前,还望见谅。

参考文献:

[1] 范剑英; 吴岩; 贾佳; 周杨; 王长劲; 吴英.Linux2.6内核实时性分析与改进方案 [J].哈尔滨理工大学学报,2008,(1).

[2] 彭雪莲.LINUX2.6内核进程调度策略分析[J].大众科技,2008,(5).