第2講：程序管理

本文的主要內容：一個程序從生到死的過程。

一、任務佇列和 task_struct 任務描述符

Linux的“任務佇列”是一個雙向連結串列，連結串列中每一項為程序描述符task_struct，它包含了一個正在執行的程式的完整資訊：它開啟的檔案、程序的地址空間、掛起的訊號、程序的狀態等等。

• Linux 透過 slab 分配器分配 task_struct，並實現“物件複用”和“快取著色”（“著色”是為了能重複使用 task_struct，類似於執行緒池中複用執行緒的設計）。
• “程序核心棧”並不直接管理 task_struct 結構體，而是將其指標放到一個 struct thread_info 這個新結構體中。查詢時使用 current 宏先找到 thread_info，就能找到task_struct 指標從而確定當前正在執行的程序。
• 每個程序都有自己唯一的PID(Process Identification Value)。它的最大值決定了系統中允許同時存在的最大程序數，一般為short int的最大值 32768(位於<linux/threads.h>，可以透過 /proc/sys/kernel/pid_max 來修改)。
• 透過 set_task_state(task, state) 來設定程序的狀態。

（一）程序上下文

使用者程序執行系統呼叫（或中斷異常）而“陷入核心空間”，此時核心代表程序執行，也就是處於“程序上下文”中。因此“程序上下文”包括兩部分資源：

• 使用者空間：虛擬記憶體空間（包括棧、堆、全域性區、程式碼區等資源）。“使用者空間資源的切換”本質上是“頁表的切換”，這也是造成執行緒和程序之間效能的差異的關鍵。
• 核心空間：堆疊、暫存器等資源。“核心空間資源的切換”本質上是維護新的 PCB 控制塊和程式計數器等資源。

“中斷上下文”中，系統不代表程序執行，而是執行一箇中斷處理程式。不會有程序干擾這些中斷處理程式，所以此時不存在程序上下文。

（二）程序家族樹

Linux系統的程序之間存在一個明顯的繼承關係。

• 0號程序：pid=0的核心排程程序，在系統啟動後，它負責 CPU 排程和其他低階任務。

這個程序通常是核心的一部分，而不是一個常規的使用者空間程序，因此零號程序不能被殺死（kill）。

• 1號程序：使用者空間的第一個程序，也是init或systemd程序。由核心在系統啟動的最後階段啟動init程序，負責初始化系統的其他部分、啟動所有其他使用者空間的程序。是使用者空間所有孤立程序的父程序。

init 程序的描述符是單獨靜態分配的 init_task，可以透過 task ?= &init_task 判斷當前指標是否執行 init 程序。

使用者空間所有程序都是1號程序的後代。每個程序也可以擁有多個子程序。task_stuct 中有struct task_struct *parent 指向父程序；還有一個 children 子程序連結串列。

二、程序建立：fork呼叫

核心是如何fork出一個程序的

從原始碼的角度理解作業系統程序

Linux程序建立分解為 fork 和 exec 兩步。fork 複製當前程序建立一個子程序，exec 讀入可執行檔案並載入地址空間開始執行（實際上還得排程器說了算）。

fork 的工作流程

fork, vfork, __clone 的底層都是 clone 系統呼叫，唯一的區分是傳入的引數不同，從而執行不同的操作。

clone 會呼叫 do_fork，再呼叫 copy_process 完成：

1. dup_task_struct複製當前程序，包括核心棧、thread_info 和 task_struct，此時父子程序是完全相同的。
2. 區分父子程序。將子程序 task_struct 內的統計資訊清零（比如掛起的訊號就沒必要繼承）
3. 子程序的狀態設為 task_uninterruptible。
4. 更新子程序的 flags 標誌。比如超級許可權 PF_SUPERPRIV、是否呼叫了 exec 函式 PF_FORKNOEXEC。
5. 呼叫 alloc_pid 為子程序分配新的 PID，PPID 為父程序。
6. 資源處理。根據傳入的引數不同，複製或共享開啟的檔案、檔案系統資訊、訊號處理函式、程序地址空間等。
7. 完成掃尾工作，返回一個指向子程序的指標。

do_fork收到copy_process完成後，會喚醒子程序並優先讓其執行。這是出於“寫時複製策略”的考慮，如果父程序先執行可能會向地址空間寫入資料，導致還需要另外的複製。

COW：只有在需要寫入（修改資料）時，才會複製，使各自程序擁有自己的複製，否則就以只讀方式共享。最大的優勢就是 fork 的實際開銷就是複製父程序的頁表、給子程序建立唯一的程序描述符，確保程序能快速建立、執行。

vfork 最大的不同是：父程序會被阻塞，直到收到 vfork_done 訊號（子程序退出或執行 exec）。這是個很老的設計了，因為原來沒有COW策略，透過這種設計可以讓子程序優先執行。並且 vfork 需要等待訊號，如果等不到（exec 呼叫失敗）那麼父程序會被一直阻塞。

三、執行緒

執行緒在Linux中就是個共享某些資源的程序。因此執行緒在建立時，傳入 clone 函式的引數指定了共享資源，比如clone_vm,clone_fs,clone_files,clone_sighand等。

執行緒也是有數量限制的：因為每個執行緒都要佔據堆疊空間，而實體記憶體不是無限的。可以使用ulimit -n來檢視。

核心執行緒為什麼沒有獨立的地址空間？

核心執行緒是獨立執行在核心空間的標準程序，並且它沒有獨立的地址空間（指向地址空間的 mm 指標被設定為 NULL）。

• 效能考慮：擁有獨立地址空間意味著上下文切換（context switch）時需要更改頁表和重新整理 TLB（Translation Lookaside Buffer），這是一個相對耗時的操作。
• 簡化設計：核心執行緒主要用於核心級任務，這些任務通常不需要訪問使用者空間資料，也不需要保護以防止其他程序或執行緒的干擾。因此，沒有必要給它們分配獨立的地址空間。
• 資源共享：核心執行緒需要訪問全域性核心資料結構，這些結構存在於核心地址空間中。如果核心執行緒有自己獨立的地址空間，那麼訪問這些全域性資料結構將變得更加複雜和耗時。
• 核心簡潔和一致性：不使用獨立的地址空間可以減少核心的複雜性，同時也更容易保證程式碼的一致性和可維護性。
• 目的和作用不同：使用者空間程序和核心執行緒的目的和作用不同。使用者空間程序用於執行使用者級程式碼，而核心執行緒用於執行核心級任務。後者通常不需要像前者那樣的隔離和保護。
• 核心狀態共享：核心執行緒通常需要共享某種狀態或資源，如檔案描述符、核心引數等。如果每個核心執行緒都有自己的地址空間，這種共享將變得更加複雜。

它們只在核心空間執行，從不切換到使用者空間中去。它們的父程序是 kthread 核心執行緒，也是透過 clone 系統呼叫完成建立。

四、程序終結

呼叫 exit() 結束程序，它的底層是 do_exit() 呼叫。過程如下：

• 設定 PF_EXITING 標誌、刪除核心定時器。
• 呼叫 exit_mm() 釋放程序佔用的 mm_struct。
• 釋放資源。exit_files(), exit_fs() 遞減檔案描述符、系統資料的引用計數（為零則可以釋放）。
• 執行exit_notify通知父程序，尋找養父（執行緒組的其他執行緒或init程序），並設定狀態為EXIT_ZOMBIE，代表其用不被呼叫。此時它也就剩下：核心棧、thread_info 和 task_struct 資訊了，這是給父程序清理用的。
• 呼叫 schedule 切換到新程序，do_exit 函式永不返回。

最後，父程序呼叫wait()清理殘餘的（處於EXIT_ZOMBIE狀態）程序描述符。

孤兒程序 & 殭屍程序

如果父程序先於子程序退出，那麼這些子程序就變成了“孤兒程序”，如果沒有新的“養父”程序來回收它們，這些資源就會一直佔用，導致資源洩漏。

在子程序退出後，核心仍會保留子程序的一些資訊（如退出狀態）供父程序查詢。如果父程序不呼叫 wait() 來獲取這些資訊，那麼這些程序會變成“殭屍程序”。

統一將孤兒程序的父程序設定為 init 程序的優勢：

• 可以簡化程序管理的邏輯。init 程序（或者 systemd）被設計為能夠正確處理這些孤兒程序，包括回收它們的資源和處理它們的退出狀態。
• 確保程序狀態的一致性。即便父程序退出了也不影響子程序的執行狀態。
• 透過自動處理這些孤兒程序，可以提高系統的健壯性，即使在不太理想的情況下（例如，某些程序意外退出）。