第 3 章 程序管理
這一章主要介紹程序在linux系統中的表示，從如何建立到如何被回收的整個過程。同時特别提到了線程在linux系統中的實作。
程序的定義：
程序就是處于執行期的程式，但程序不僅局限于可執行代碼，還包括其他資源，比如打開的檔案，挂起的信号，核心資料，處理器狀态，多個線程，全局變量等。
線程的定義：
線程是程序中活動的對象，線程有單獨的程式計數器，程序棧，一組程序寄存器。值得注意的是，unix系統中，一個程序包括一個線程，但linux系統中，線程和程序其實不區分的（核心角度）。
虛拟機制：虛拟處理器和虛拟記憶體。線程之間共享虛拟記憶體，但每個有各自的虛拟處理器。
記住，程序是執行期的程式 + 相關資源
程序建立通常是通過fork()系統調用來實作，通過複制現有程序來建立全新程序，調用一次，傳回兩次，一次回到父程序，傳回子程序PID，一次回到子程序，傳回0。一般建立新的程序都是為了執行新的程式，接着調用exec()可以建立新的位址空間。linux中，fork()實際上是clone()系統調用實作的。
最終程式通過exit()退出執行，釋放資源。父程序通過wait()系統調用獲得子程序狀态，這時，子程序才從僵死狀态中，完全被釋放掉。
程序描述符及任務結構
程序清單在核心中是一個任務隊列的雙向循環連結清單。結點的資料類型是task_struct，稱為程序描述符。包含程序所有資訊，在32位機器上，大約有1.7kb。
linux 通過slab配置設定器配置設定task_struct結構。這樣的目的是對象複用和緩存着色。避免動态配置設定和釋放帶來的資源消耗
程序建立時會産生兩個棧，一個使用者空間的程序棧，另一個是屬于核心空間的核心棧。程序調用系統調用陷入核心态就會發生棧的切換。實際上隻是棧的位址的變動。這裡需要注意的是，從使用者空間陷入核心态時，核心棧已經是清空的，是以，這時僅僅是将核心棧的棧頂指針給現在的棧位址寄存器就行。
程序核心棧是一個thread_union的結構如下：
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THEREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
struct thread_info {
struct task_struct *task; // 注意
struct exec_domain *exec_domain;
__u32 flg;
__u32 status;
__u32 cpu;
int preempt_count;
mm_segment_t addr_limit;
struct restart_block restart_block;
void *sysenter_return;
int uaccess_err;
};
struct task_struct {
void *stack; // 注意
};
從代碼中可以看出task_struct 和 thread_info 互相保持對方的指針。再看一個程序核心棧的布局圖，我們就知道，可以通過計算直接得到thread_info的指針。
是以，核心棧和程序描述符之間就有了一個座橋梁，可以互相引用。
PID辨別每個程序，類型為pid_t，實際上是一個int類型，預設值最大32768.可以修改。這個值越小，轉一圈就越快。
程序狀态
系統中的程序必處于五種狀态之一，如圖：
可中斷，程序處于睡眠（阻塞），等待某些條件達成，但可以被信号提前喚醒
不可中斷，程序處于睡眠（組設），等待某些條件達成，不會被信号提前喚醒
程序的狀态可以設定，但是我們知道這裡會需要設定記憶體屏障，強制其他處理器重新排序。避免不一緻狀态:)
程序家族樹
linux系統中的程序有明顯的繼承關系。原因是将程序的建立分為fork()/exec()兩個階段。所有的程序都是PID為1的init程序的後代。核心在系統啟動的最後階段啟動init程序，該程序讀取初始化腳本并執行其他的相關程式，最終完成系統的啟動過程。
程序描述符中，有parent指針，指向父程序，有children list，表示子程序連結清單。還有任務隊列中的next、prev指針，指向任務隊列的前一個和下一個程序。
程序建立
剛才說到，程序的建立和特别（unix，linux）。許多其他的系統是通過spawn程序機制，建立新的位址空間，讀入可執行檔案，最後開始執行。而linux采用fork()和exec()。fork拷貝目前程序，建立一個子程序，差別僅僅在于PID、PPID和一些統計量（挂起的信号等）。exec負責讀取可執行檔案，開始運作。
傳統的fork，直接複制所有資源給新程序。簡單但效率低下，因為大多數新程序都打算立即執行exec，那之前的拷貝就毫無意義。linux的fork使用的是寫時拷貝(copy on write)頁實作。延遲拷貝的過程，核心不複制整個程序位址空間，而父子程序共享一個程序位址空間。隻有需要寫入時，資料才會被指派。實際大部分新程序都是立即執行exec，不需要複制原有的程序資料。能夠快速建立程序。
fork的實際開銷是，複制父程序的頁表以及給子程序建立唯一的程序描述符。
線程在linux中的實作
我們一般來說，線程是輕量級的程序，程序中包含若幹線程。同一程式的線程共享記憶體位址空間，包括打開的檔案和其他資源。linux實作線程非常特别，從核心的角度，沒有線程的概念。linux把所有的線程當成程序來實作。線程僅僅被視為和其他程序共享某些資源（位址空間）的程序。每個線程有自己的task_struct，是以在核心看來就是一個普通的程序。想想，實際這種方法很高明。
線程的建立時調用clone()，但是傳入了CLONE_VM參數，表示共享位址空間。
程序終止
程序終止需要釋放它占用的資源，包括task_struct。程序的析構是自身引起的，通過調用exit()系統調用，釋放資源，包括打開的檔案描述符，定時器等。最後調用exit_notify給父程序發送信号，給子程序重新找養父，養父為同一程序組的其他程序或者init程序。程序的狀态為EXIT_ZOMBIE。程序處于這個僵死狀态，它現在占用的記憶體就是核心棧、thread_info結構和task_struct結構。唯一的目的就是向它的父程序提供資訊。父程序檢索到資訊後，通知核心那是無關資訊，程序剩餘記憶體被釋放掉。