梁金荣：Linux内核之话说进程

大家好，小白又来试水啦！ 回望笔者之前发的技术博客，中规中矩， 阅读量更是不尽人意，看来没帮到多少人，不行，文风要改，要大改。于是乎，笔者金荣摇身一变，化作Linux OS的一个进程，我是一个进程，我来讲述我的故事。

我从哪里来

进程：“若要问我从哪里来，这还要从操作系统的发展说起。”（进程的回忆开始了）那是在20世纪50年代中期，出现了第一代计算机，那时候还需要程序员亲自手工操作穿孔的纸带卡片，虽然CPU的速度在迅速提高，但是I/O设备的速度却提高缓慢，来看看CPU和人工处理的I/O设备的日常对话。

相传，为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，脱机I/O技术诞生了，看看那时候CPU在聊些什么。

为了提高系统资源利用率和吞吐量，单道批处理系统诞生了，这下好了，任务一个接一个来，CPU总算是能表现一下自己了，来看看这时候CPU和OS监督程序的对话。

虽然单道批处理系统提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量，但是仍然不能充分地利用系统资源，因为在内存中仅有一道程序，程序在运行中发出I/O请求后，CPU就在那一直等，当时的情况是这样的。

虽然如此，但是问题依旧不大，因为在20世纪60年代中期，引入了多道程序的设计技术，形成了多道批处理系统，进一步提高了资源的利用率和系统吞吐量，我也是在这个时期开始形成的，当时可把CPU乐坏了。

后来的后来，为了方便用户，CPU继续发展，各种操作系统也是层出不穷，例如常见的Windows 、Linux、Contiki 等，然而我的作用依旧不可替代。

讲讲我的故事

你以为进程我三头六臂，真的那么大本事，可以让一个CPU核心同时运行多个程序？别你以为了，只是一种错觉，只是操作系统的并发性罢了，实际上一个CPU核心在同一时刻只能运行一个程序，只不过是我快速切换，让CPU这个高速的家伙闲不下来，知道真相的你，是不是觉得理解错了呢？事实上现在的CPU已经可以同一时刻运行多个程序啦，因为现在的CPU有多个核心呐。

我们也不容易呀，虽然让CPU这家伙完全跑了起来，有效地改善了资源利用率，提高了系统吞吐量，但是我们把操作系统弄的更复杂了，如果我们不受约束的话，就会随意争夺系统资源，给操作系统老大带来麻烦，程序也会显现出不可再现性。老大当然不允许了，于是和我约法三章，定了一些硬件同步机制、信号量机制、管程机制等一系列同步机制，好让老大更加稳定可靠。

当然我们进程之间也经常联系呢，早期的通信被人们叫做低级进程通信，当然这时候我们进程的通信人们才不知道呢。后来，OS老大更强大了，制定了高级通信机制，他给人们提供了高级通信工具，我们进程之间的通信能传送大量的数据了，对人们也透明了，这个高级通信机制，被人们归了四类，分别是：共享存储系统、管道通信系统、消息传递系统和客户机-服务器系统。

听了我们进程的故事，是不是对我有所了解呢，其实我们家族的故事多着呢，有兴趣可以自己去了解一番，这里有一张金荣制作的思维导图，有助于更好地了解我们，收好。

看看我的模样

也许你对我已经有所了解，那么现在就请你在Linux OS中看看我的真面目吧，要问我到底是谁，我只是一些程序和数据罢了，也可以认为我就是运行中的程序。Linux OS老大为了管住我，将我的状态信息、链接信息、各种标识符、进程间通信信息、时间和定时器信息、调度信息、文件系统信息、虚拟内存信息、处理器环境信息等封印在一个巨大的结构体中，江湖上称之为进程控制块（Process Contrlo Block），简称PCB，在内核源码中的定义是酱紫的，且看Linux内核3.18.43版本的源码，具体在/include/linux下的头文件sched.h中的第1237行代码。

了解我的状态，这点很重要，在一般的操作系统中，我的状态有就绪态、运行态和等待态三种状态，而在Linux OS中，为了管理上的方便，我的状态被改造成了就绪态、睡眠态、暂停态和僵死态，状态转换是酱紫的。

和我交朋友吧

想和我们交朋友吗，那就了解一下我的组织方式吧。为了对我们进行有效的搜索，内核建立了几个进程链表，每个进程链表由指向进程PCB的指针组成。当内核要根据我们的PID导出对应PCB的时候，遍历进程链表检查PCB中的PID太慢了，于是引入了哈希表，Linux OS中用了一个叫做pid_hashfn的宏，来实现把PID转换成表的索引的哈希函数。

在这里献上一个内核模块，功能为遍历进程链表，打印pcb相关字段的内核模块，并配上详细注释：

模块代码

# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
//内核模块初始化函数
static int __init traverse_pcb(void)
{
    struct task_struct *task, *p;//定义指向task_struct类型的指针
    struct list_head *pos;//定义双向链表指针
    int count=0;//定义统计系统进程个数的变量
    printk("Printf process'message begin:\n");//提示模块开始运行
    task = &init_task;//指向0号进程的PCB
    
    list_for_each(pos,&task->tasks)//使用list_for_each宏来遍历进程链表
    {
        p = list_entry(pos,struct task_struct,tasks);//指向当前进程的task_struct结构
        count++;//统计系统进程个数
        printk("\n\n");//方便查看后续打印信息
        /*
        打印task_struct中的字段，其中pid：进程的pid号；state：进程的状态；
        prio:动态优先级；static_prio:静态优先级; parent'pid:父进程的pid号；
        count:文件系统信息，文件被使用的次数; umask:进程权限位的默认设置;
        使用atomic_read原子操作是为了(p->files)->count字段计数不被打断
        */
        printk("pid:%d; state:%lx; prio:%d; static_prio:%d; parent'pid:%d; count:%d; umask:%d;",    \
            p->pid,p->state,p->prio,p->static_prio,(p->parent)->pid,                              \
            atomic_read((&(p->files)->count)),(p->fs)->umask);
        //打印进程地址空间的信息
        if((p->mm)!=NULL)
            printk("total_vm:%ld;",(p->mm)->total_vm);//total_vm：线性区总的页数
    }
    printk("进程的个数：%d\n",count);//打印进程个数
    return 0;
}

//内核模块退出函数
static void __exit end_pcb(void)
{
    printk("traverse pcb is end.");
}
module_init(traverse_pcb);//入口
module_exit(end_pcb);//出口
MODULE_LICENSE("GPL");//许可证

Makefile

#产生目标文件
obj-m:=traverse_pcb.o
#路径变量，指明当前路径
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#指明内核版本号
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#指明内核源码的绝对路径
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
#编译模块
all:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
#清理模块
clean:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译加载

查看结果

故事讲到这里就结束啦，初学进程，若有不周之处，还请大家多多谅解 。

看完还想了解进程更多？这里给出参考资料：

[1]陈莉君,康华著.Linux 操作系统原理与应用.清华大学出版社.2012 
[2]陈莉君,张琼声,张宏伟译,Daniel P.Bovet、Marco Cesati著.深入理解LINUX内核.中国电力出版社.2008 
[3]陈莉君,康华译,RobertLove著.Linux内核设计与实现.机械工业出版社.2011 
[4]汤小丹.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社.2014 
[5]陈莉君.Linux内核分析与应用.学堂在线视频