目錄
1、概述
2、程序描述符
2.1 程序描述符的配置設定
2.2 程序描述符的存放
2.3 程序狀态
2.4 程序上下文
2.5 程序家族樹
3、程序的建立
4、程序的終結
5、線程的實作
1、概述
程序是執行期的代碼。但是程序不止包括這樣一段可執行的代碼，還包括程序執行相關的各種資源：
- 打開的檔案；
- 挂起的信号；
- 核心内部的資料；
- 處理器狀态；
- 一個或多個具有記憶體映射的位址空間；
- 一個或多個執行線程；
- 存放全局變量的資料段；
- ......
程序在建立它的時候開始存活，在Linux系統中，這通常的fork()系統調用的結果。fork()系統調用通過複制一個現有程序來建立一個新的程序，調用fork()的程序稱為父程序，新建立的程序稱為子程序。在fork()系統調用結束時，父程序恢複執行，子程序開始執行。fork()系統調用從核心傳回兩次：一次是回到父程序，一次是回到子程序。Linux核心中，fork()實際上是通過clone()調用實作的。
fork()調用後，通過exec()調用可以建立新的位址空間，并把程式載入其中。最終，程式通過exit()調用退出執行，并釋放其占用的資源。父程序可以通過wait4()調用等待子程序的執行結果。程式執行完成後被設定為僵死狀态，直到它的父程序調用wait()或waitpid()調用。
執行線程簡稱線程，是在程序中活動的對象。每個線程都有一個獨立的程式計數器、程序棧和一組程序寄存器。核心排程的對象是線程而不是程序。對于Linux而言，線程就是一種特殊的程序。
2、程序描述符
程序描述符用來描述一個具體的程序的所有資訊。程序描述符的資料結構叫做task_struct，定義在<linux/sched.h>檔案中。
task_struct資料大小約為1.7KB（32位機器），包含了核心管理一個程序所需要的全部資訊：
- 程序的id（pid）；
- 打開的檔案；
- 程序的位址空間；
- 挂起的資訊；
- 程序的狀态；
- ......
2.1 程序描述符的配置設定
Linux通過slab配置設定器動态配置設定task_struct結構，配置設定時隻需要在程序核心棧的尾端建立一個新的結構thread_info即可。其中，task域存放的是指向task_struct的指針。
2.2 程序描述符的存放
核心通過唯一的程序辨別值PID（Process Identification Value）來辨別每個程序。pid的類型是隐含類型pid_t，實際上就是int。為了相容老版本，PID數的最大值是32768（有符号short int最大值），但是可以在<linux/threads.h>中增加到400萬。核心把每個程序的pid存放到程序描述符中。
核心大部分處理程序的操作，都是通過task_struct實作的，是以核心需要能擷取到指向task_struct的指針。有些記憶體結構有專門的寄存器存放task_struct的指針，而x86等寄存器不富裕的體系，隻能在核心棧的尾端建立thread_info，通過計算記憶體偏移來簡接查找task_struct。
2.3 程序狀态
程序描述符的state域描述了程序的狀态。程序包含5種狀态：
- TASK_RUNNING：運作，程序是可執行的。可能正在執行，也可能正在任務隊列等待執行。這是程序在使用者空間中執行的唯一可能的狀态；
- TASK_INTERRUPTIBLE：可中斷，此時的程序正在睡眠（也叫阻塞），等待某些條件的達成。處于此狀态的程序會因為提前接收到信号而被喚醒；
- TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中斷，除了接收到信号也不會提前被喚醒，其他的和可中斷相同。這個狀态通常用在等待時不受幹擾，或者等待的事情很快發生的場景；
- __TASK_TRACED：被其他程序跟蹤的程序，例如通過ptrace對調試程序進行跟蹤；
- __TASK_STOPPED：停止，程序停止執行，程序沒有投入運作，也不能投入運作。通常這種狀态發生在接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU等信号時；在調試期間接受到任何信号，也會進入這個狀态。
2.4 程序上下文
當一個程式執行了系統調用，或者觸發了某個異常，就陷入了核心空間，此時稱核心“代表程式執行”，并處于程序上下文。除非期間有更高優先級的程序要執行，并且排程器做出了相應調整，否則在核心退出的時候，程式恢複在使用者空間繼續運作。
系統調用和異常處理是對核心明确定義的接口，程序隻有通過這些接口才能陷入核心，即程序對核心的所有通路都需要通過這些接口。
2.5 程序家族樹
Linux的所有程序都是PID為1的初始程序的後代。核心在系統啟動的最後階段啟動init程序。該程序讀取系統的初始化腳本，并執行相關的程式，最終完成系統啟動的整個過程。
系統中每個程序都有一個父程序，和零個或多個子程序。擁有同一父程序的程序，稱為兄弟程序。程序間的關系存放在程序描述符中，每個task_struct都包含一個parent指針，指向父程序所在的task_struct，以及一個名為children的指針連結清單，指向所有的子程序的task_struct。
3、程序的建立
Unix把程序的建立拆分成了兩個函數：
- fork()：Linux通過clone()系統調用實作了fork()，通過拷貝目前程序建立一個子程序。子程序和父程序的差別隻在于PID、PPID（父程序的PID）和一些統計量。
- exec()：将可執行檔案載入位址空間開始執行。
Linux的fork()使用寫時拷貝（copy-on-write）頁實作資源的複制。資源的複制，隻有在需要寫入的時候才進行，在此之前以隻讀方式共享。這種技術使位址空間的頁拷貝推遲到實際發生寫入的時候才進行，如果頁根本不會被寫入，例如fork()後立即執行exec()，則無需複制。這樣可以避免拷貝大量根本不會被使用的資料，這也是Unix快速執行的能力的一種重要支撐。
fork()的實際開銷就是複制父程序的頁表，以及給子程序建立唯一的程序描述符。程序頁表是程序私有的結果，映射了核心态和使用者态的線性位址。
4、程序的終結
當一個程序終結時，核心會回收程序的全部資源，并通知父程序。
1、do_exit()方法回收資源并更新狀态：
- 回收位址空間：如果沒有其他程序占用，就釋放掉位址空間；
- 回收檔案描述符、檔案系統資料：引用計數分别遞減，如果減為0，就釋放；
- 執行退出代碼：執行作業系統規定的退出動作，并把退出代碼存放到task_struct中的exit_code中供父程序随時檢索；
- 設定退出狀态：task_struct中的exit_state設定為EXIT_ZOMBIE，程序不再接受排程；
- 給子程序重新尋找父程序，新的父程序是線程組的其他線程，或者init程序；
- 調用schedule()方法切換到新的程序。
2、此時，程序所占有的記憶體資源隻剩下核心棧、thread_info和task_struct。此時程序存在的唯一目的，就是向它的父程序提供資訊。父程序檢索到相關資訊後，或者通知核心那是無關資訊後，核心會釋放剩下的這些資源。
5、線程的實作
Linux核心并沒有線程的概念，它把線程當做程序來實作，線程僅僅被視為與其他程序共享某些資源的程序。線程有自己的task_struct，是以從核心的角度，線程隻是一個普通的程序，僅僅是和其他程序共享了一些資源，比如位址空間等。
1、線程的建立
建立線程和建立程序相似，也是調用clone()實作，隻不過傳遞的一些參數，用來控制共享一些資源：
clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0)
這些代碼是用來和父程序共享：位址空間、檔案系統資源、檔案描述符和信号處理程式。
相對之下，建立程序的指令：
clone(SIGCHLD)
2、核心線程
核心線程是獨立運作在核心空間的标準程序，核心在背景執行操作，使用核心線程來完成。核心線程和普通程序的差別，隻在于核心線程沒有獨立的位址空間。它們隻在核心空間運作，不會切換到使用者空間。核心程序和普通程序一樣，可以被排程，也可以被搶占。
核心線程隻能由核心線程來建立，核心從kthreadadd核心程序衍生出新的核心程序。在Linux系統中，可以使用ps -ef指令看到很多核心線程。