一. 概述
Linux是類Unix系統，借鑒了Unix的設計并實作相關接口，但并非Unix。Linux是由Linus Torvalds于1991年創造的開源免費系統，采用GNU GPL協定保護，下面列舉Linux的一些主要特點：
Linux系統中萬物皆為檔案，這種抽象友善操作資料或裝置，隻需一套統一的系統接口open, read, write, close即可完成對檔案的操作
Linux是單核心，支援動态加載核心子產品，可在運作時根據需求動态加載和解除安裝部分核心代碼；
Linux核心支援可搶占；
Linux核心建立程序，采用獨特的fork()系統調用，建立程序較高效；
Linux核心并不區分程序和線程，對于核心而言，程序與線程無非是共享資源的差別，對CPU排程來說并沒有顯著差異。
1.1 程序概念
程序與線程的發展演化的目标，是為了更快的建立程序/線程，更小的上下文切換開銷，更好的支援SMP以及HMP架構的CPU。
線程上下文(例如各個寄存器狀态，pc指針)的切換比程序開銷要小得多。
系統需要運轉起來，代碼都是靜态的，程序才具有生命力，程序是程式的動态執行過程
，程序正是作業系統的心髒所在。何為程序？程序是處于執行狀态的代碼以及相關資源的集合，不僅僅是代碼段(text section)，還包括檔案，信号，CPU狀态，記憶體位址空間等。線程基本可以等同于程序般對待。
虛拟處理器：多個程序共享同一個處理器，但虛拟處理器給程序一種獨占的感覺；
虛拟記憶體：多程序分享整個記憶體，但虛拟記憶體給程序以獨占整個記憶體空間的感覺；
二. 程序
2.1 task_struct結構體
程序主要由以下幾部分組成：
代碼段：編譯後形成的一些指令
資料段：程式運作時需要的資料
隻讀資料段：常量
已初始化資料段：全局變量，靜态變量
未初始化資料段(bss)：未初始化的全局變量和靜态變量
堆棧段：程式運作時動态配置設定的一些記憶體
PCB：程序資訊，狀态辨別等
Linux核心中程序用task_struct結構體表示，稱為程序描述符，該結構體相對比較複雜，有幾百行代碼，記載着該程序相關的所有資訊，比如程序位址空間，程序狀态，打開的檔案等。對核心而言，程序或者線程都稱為任務task。核心将所有程序放入一個雙向循環連結清單結構的任務清單(task list)。
struct task_struct {
volatile long state; //程序狀态
struct mm_struct *mm, *active_mm; //記憶體位址空間
pid_t pid;
pid_t tgid;
struct task_struct __rcu *real_parent; //真正的父程序，fork時記錄的
struct task_struct __rcu *parent; // ptrace後，設定為trace目前程序的程序
struct list_head children; //子程序
struct list_head sibling;//父程序的子程序，即兄弟程序
struct task_struct *group_leader; //線程組的領頭線程
char comm[TASK_COMM_LEN]; //程序名，長度上限為16字元
struct fs_struct *fs; //檔案系統資訊
struct files_struct *files; // 打開的檔案
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;
struct sigpending pending;
void *stack; // 指向核心棧的指針
...
}
程序運作在核心态時，需要相應的堆棧資訊, 則linux kernel為每個程序都提供一個核心棧kernel stack.
2.1.1 thread_info
Linux通過slab動态生成task_struct，那麼在棧頂或棧底建立新的結構體thread_info即可，其中task指向其真正的task_struct結構體。
struct thread_info {
struct task_struct*task;//主要的程序描述符
struct exec_domain*exec_domain;
__u32flags;
__u32status;// 線程同步flags
__u32cpu;//目前cpu
intpreempt_count;
mm_segment_taddr_limit;
struct restart_block restart_block;
void __user*sysenter_return;
unsigned intsig_on_uaccess_error:1;
unsigned intuaccess_err:1;
};
2.2 程序狀态
程序結構體task_struct有一個成員state，代表的是程序的狀态。
程序所有可能的狀态定義在檔案kernel/include/linux/sched.h，
不同的linux版本略有不同，下面列舉最新Kernel的程序狀态值：
序号
狀态
縮寫
含義
1
TASK_RUNNING
R
正在運作或可運作
2
TASK_INTERRUPTIBLE
S
可中斷的休眠
3
TASK_UNINTERRUPTIBLE
D
不可中斷的休眠
4
__TASK_STOPPED
T
跟蹤狀态, 當程序接收到SIGSTOP等signal資訊
5
__TASK_TRACED
t
停止狀态，比如被debugger的ptrace()
6
EXIT_ZOMBIE
Z
僵屍狀态，即父程序還沒有執行waitpid()
7
EXIT_DEAD
X
死亡狀态
說明：
R狀态: 分為正在執行和RQ隊列等待執行兩種狀态，該狀态是唯一可執行的狀态；
D狀态：不影響任何信号，如果分析過一些系統凍屏/當機重新開機的案例，會發現很多時候是由于某個程序異常處于D狀态而導緻系統blocked。
即便如此，也有其存在的價值，比如當程序打開裝置驅動檔案時，在驅動程式執行完成之前是
不希望被打斷的，可能會出現不可預知的狀态。
Z狀态：出現這個狀态往往是父程序沒有執行waitpid()或wait4()系統調用，
在這種情況下，核心不會丢棄該死亡程序的資訊，系統無法判斷是父程序是否還需要該資訊。
程序狀态轉換圖：
2.3 程序pid
pid最大值預設為32768，一般來說pid數值越大的程序建立時間越晚，但程序再不斷建立與結束，輪完一圈又會繼續從小開始輪循，是以也就破壞了這個規則。可以通過修改/proc/sys/kernel/pid_max來提高上限。
其他相關ID：
Tgid: 線程組的ID,一個線程一定屬于一個線程組(程序組).
Pid: 程序的ID,更準确的說應該是線程的ID
PPid: 目前程序的父程序
另外，每個程序的資源是有上限，可通過cat /proc//limits檢視
2.4 程序建立
Linux程序建立： 通過fork()系統調用建立程序
Linux使用者級線程建立：通過pthread庫中的pthread_create()建立線程
Linux核心線程建立： 通過kthread_create()建立核心線程
核心線程：沒有獨立的位址空間，即mm指向NULL。這樣的線程隻在核心運作，不會切換到使用者空間。
所有核心線程都是由kthreadd作為核心線程的祖師爺，衍生而來的。
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