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Linux作為一種被廣泛使用的操作系統(tǒng)，進程管理是其中最基本且重要的組成部分之一。其內部也有一套完善的管理機制，架構清晰，難度不小。本篇文章將從數(shù)據(jù)結構的角度深度探討Linux進程管理的實現(xiàn)原理。
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進程的概念
在深入了解進程管理的實現(xiàn)機制之前，有必要先了解一下進程的概念。進程是指正在運行的程序實例。在Linux系統(tǒng)中，每個進程都有一個唯一的進程號 (PID)，并且它們有各自的上下文環(huán)境，包括寄存器、內存、打開文件等。
進程控制塊（Process Control Block，PCB）
進程控制塊是Linux內核中管理進程的重要數(shù)據(jù)結構，其記錄了進程的各種狀態(tài)信息和系統(tǒng)資源占用情況。每個進程都對應有一個PCB，所有的PCB的被稱作進程表。
PCB的主要組成部分包括：
1.進程狀態(tài)：記錄當前進程的狀態(tài)信息，如運行、等待等。
2.程序計數(shù)器 (Program Counter， PC)：指向進程下一條要執(zhí)行的指令地址。
3.寄存器：包括通用寄存器、指針、標志寄存器等。
4.堆棧指針 (Stack Pointer, SP)：指向進程當前的運行堆棧。堆棧是一個連續(xù)的內存區(qū)域，用于存儲程序調用的嵌套信息，如函數(shù)調用、返回地址等。
5.進程優(yōu)先級：用于控制進程調度順序的參數(shù)。
6.進程組和會話：用于記錄進程所屬的進程組和會話信息。
7.打開文件：所有打開的文件、設備等信息，包括文件描述符和訪問權限等。
8.進程特定數(shù)據(jù)：用于存儲用戶定義的進程相關數(shù)據(jù)。
進程表
進程表是Linux系統(tǒng)中保存所有進程PCB的數(shù)據(jù)結構，下面是一份簡化版進程表結構：
struct task_struct { // 進程控制塊
// 進程狀態(tài)
volatile long state;
// 進程描述符
struct desc_struct tss;
// 進程堆棧指針
unsigned long esp0, ss0;
// 進程內存頁表指針
struct page_table *pgd;
// 進程ID
pid_t pid;
// 進程名字
char comm[TASK_COMM_LEN];
// 進程用戶ID和組ID
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
// 父進程ID和子進程ID
pid_t ppid,pgrp,session,tty_old_pgrp;
pid_t sid;
// 進程狀態(tài)標志
unsigned long flags;
};
進程狀態(tài)轉換
在Linux系統(tǒng)中，進程狀態(tài)有以下幾種：運行、睡眠、等待、停止和僵尸。
運行態(tài)：進程正在執(zhí)行，占用著CPU。
等待態(tài)：進程暫時不執(zhí)行，但因為某些原因暫時也不能被放到睡眠態(tài)。
睡眠態(tài)：進程睡眠而且當前進程不再占用CPU。進程會將自己加入到等待隊列中，然后進入睡眠，等待喚醒。
停止態(tài)：進程被停止，對應的進程號（PID）被收回。
僵尸態(tài)：進程已終止，但其在進程表中仍然留存一段時間，等待其父進程讀取終止狀態(tài)。
進程調度
進程調度是操作系統(tǒng)內核實現(xiàn)進程管理和優(yōu)先級控制的最主要機制之一。進程調度包括進程進入運行態(tài)和離開運行態(tài)兩個過程。進入運行態(tài)是指進程從等待態(tài)或睡眠態(tài)變?yōu)檫\行態(tài)，離開運行態(tài)是指進程被搶占或者主動調用休眠等待系統(tǒng)操作引起。
進程調度的實現(xiàn)主要依賴于進程調度算法和硬件的支持。在Linux中，進程調度器實現(xiàn)了多種進程調度算法，如先進先出（FIFO）、最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、時間片（RR）以及完整動態(tài)優(yōu)先級（CFS）等。
本文詳細介紹了Linux內核中進程管理的實現(xiàn)原理，包括進程控制塊、進程表、進程狀態(tài)轉換以及進程調度等基礎概念和數(shù)據(jù)結構。閱讀本文可以深入了解Linux操作系統(tǒng)中進程管理的內部機制和實現(xiàn)方式，對于研究Linux內核以及進程控制和資源管理有很大的幫助。
相關問題拓展閱讀：
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操作系統(tǒng)工作的基礎：
1、存儲程序計算機
馮.諾伊曼首先提出了“存儲程序”的概念，按照存儲程序的原理，計算機在執(zhí)行程序時須先將要執(zhí)行的相關程序和數(shù)據(jù)放入內存儲器中，在執(zhí)行程序時CPU根據(jù)當前程序指針寄存器的內容，按地址順序取出存放在內存儲器中的指令（按地址順序訪問指令），然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉移指令時，則轉移到轉移地址，再按地址順序訪問指令（程序控制）。linux操作系統(tǒng)就是以存儲程序計算機的工作原理為基礎去管理整個計算機以及整個計算機的執(zhí)行工作流程。
存儲程序計算機以運算單元為中心， 采用存儲程序原理，存儲器是按地址訪問、線性編址的空間，控制流由指令流產(chǎn)生， 指令由操作碼和地址碼組成，數(shù)據(jù)以二進制編碼。（）
2、堆棧
堆棧（此處不同于數(shù)據(jù)結構的中堆棧）是內存中的一段存儲區(qū)域。堆棧用到的寄存器主要有%esp和%ebp，c語言中堆棧機制主要用于函數(shù)調用中上一層函數(shù)相關寄存器（包括堆棧相關寄存器，eip寄存器等）的保存，以便從調用函數(shù)返回至上一層函數(shù)，堆棧還會保拿鋒渣存調用函數(shù)的參數(shù)以及函數(shù)中創(chuàng)建的局部變量。
操作系統(tǒng)中的堆棧分為用戶態(tài)堆棧和內核態(tài)堆棧，而程序的執(zhí)行又是以進程為單位來執(zhí)行的，操作系統(tǒng)使每個進程有各自獨立的4G地址空間，0~3G為用戶態(tài)，3G~4G為內核態(tài)，Linux為每個進程分配一個8KB大小的內存區(qū)域，用于存放該進程兩個不同的數(shù)據(jù)結構：Thread_info和進程內核堆棧。當我們進行系統(tǒng)調用或其他中斷時內核棧會保存用戶棧的寄存器信息以及返回地址等信息，當內核進行進程調度切換上下文時堆棧會保存前一個進程的上下文，再載入下一進程的上下文。
3、中斷
中斷機制最初是未解決計算機和外設的處理速度不匹配問題，為了提高cpu的工作效率，操作系統(tǒng)引入中斷機制。
處理器的速度跟外圍硬件設備的速度往往不在一個數(shù)量級上，因此，如果內核采取讓處理器向硬件發(fā)出一個請求，然后專門等待回應的辦法，顯然降低內核效率。中斷可以讓內核不用等待硬件響應，而消悄是去執(zhí)行其他事務進基滲程，當硬件處理完畢，通過中斷告知CPU硬件數(shù)據(jù)準備好，CPU再切換來處理此硬件事務。
不同的設備對應的中斷不同，而每個中斷都通過一個惟一的數(shù)字標識，即中斷號。從而使得操作系統(tǒng)能夠對中斷進行區(qū)分，并知道哪個硬件設備產(chǎn)生了哪個中斷。這樣，操作系統(tǒng)才能給不同的中斷提供不同的中斷處理程序。
中斷使得進程能夠并發(fā)的去執(zhí)行，當然，并發(fā)并不是并行，而是中斷允許CPU在多個進程之間切換，大大提高了CPU的利用率。中斷是多進程能夠正常執(zhí)行以及進程間的切換的必不可少的要素。
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新聞標題：深入了解Linux進程管理：數(shù)據(jù)結構揭秘 (linux進程管理數(shù)據(jù)結構)
文章起源：http://www.fisionsoft.com.cn/article/cdciiij.html
