本章講述什麼是程序, 以及 Linux 核心是如何創建， 管理和清除系統中的程序的. 在作業系統中， 程序是任務的執行者。 程式只是存貯在盤上的可執行映像裡面的機器 指令和資料的集合， 因此是被動的實體。 程序可以被看作正在運行的電腦程式。 程序是一個動態實體， 隨著處理器執行著機器指令而不斷變化。 除了程式中的指令和 資料之外， 程序中還包括了程式計數器， CPU 的所有暫存器， 堆疊(包含著像過程參數， 返回位址，保存的變數等臨時資料)。 目前正在執行的程式， 也就是程序， 含有微處理 器目前的所有活動。 Linux 是一個多重處理型的作業系統(multiprocessing， 或叫做多工)。 程序各司其職， 如果某個程序崩潰， 不會導致系統中別的程序崩潰。 每個程序在獨立 的虛擬位址空間中運行， 除非通過核心提供的安全的機制之外， 不能和別的程序相互作 用。 程序在其生命周期內要使用許多系統資源， 它要用 CPU 運行指令， 用實體記憶體存貯 指令和資料﹔ 它會打開並使用檔案系統中的檔案， 直接或間接使用實體設備。 Linux 必 須了解程序使用資源的情況以便合理地管理系統中的所有程序。 假如讓某個程序獨占大 部份系統實體記憶體或者 CPU， 對別的程序就不公平。 系統中最重要的資源是 CPU， 通常只有一個。 作為一個多重處理作業系統， Linux 的 目標是讓系統中的每個 CPU 上面始終有一個程序在執行， 以充份利用 CPU。 如果程序 數多於 CPU 數(通常總是這樣)， 多余的程序必須等待有 CPU 空閒下來才能運行。 多重處理的想法很簡單： 讓程序一直執行直到它必須等待， 通常是等待使用一些系統 資源﹔ 當它可以使用這個資源時， 可以再讓它運行。 在一個單一處理的作業系統 (uniprocessing， 或叫做單工)中， 例如 DOS， CPU 在程序等待資源的時候將無所事事， 白白浪費時間。 在一個多重處理作業系統中， 記憶體中同時存在許多程序。 每當一個進 程必須等待， 作業系統就把 CPU 分配給別的需要運行的程序。 系統中專門有一個排程器 (scheduler)負責選出下一個要運行的程序。 Linux 使用很多排程策略來保証排程的公平。 Linux 支援很多不同的可執行的檔案格式, 比如 ELF ， 還有 Java。 這些格式必須被透明 地管理。 4.1 Linux 程序 Linux 系統為了管理程序，用 task_struct 資料結構表示每個程序 (任務和程序 (task and process) 在 Linux 中是可以互換使用的術語)。 任務向量(task vector)是一個指標陣列， 裡 面的指標指向系統中的每個 task_struct 資料結構。 這樣就意味著系統中的最大程序數受到任務向量的大小的限制﹔ 預設它有 512 個入口。 當創建新程序時， 新的 task_struct 從系統記憶體中被分配出來並被加入任務向量。 為了 便於尋找， 一個 current 指標指向目前的程序。 除了普通程序， Linux 還支援實時程序。 所謂實時是指這些程序必須能夠快速響應外 部的事件。 排程器會區別對待實時程序和普通程序。 盡管 task_struct 資料結構相當大， 而且很復雜， 但是其中能夠劃分出很多功能區域： State (狀態) 程序執行時會根據不同的情形改變狀態。 Linux 程序有下列狀態： 1。Running 運行態 程序或者正在運行(它是系統的目前程序)， 或者是準備運行的(它正在等待被分到系 統的 CPU 之一) 。 2。Waiting 等待態 程序正在等一個事件或一個資源。 Linux 中的等待態有性質不同的兩種類型： interruptible (可中斷的)和 uninterruptible (不可中斷的)。 可中斷的等待程序能被信號打斷而 不可中斷的等待程序直接等待某種硬體條件， 在任何情形下都不能被中斷。 3。Stoped 停止態 程序被停止了， 通常是通過接受一個信號的方法。 被調試的程序能處於一個停止態。 4。Zombie 僵死態 某個已經終止的程序， 由於一些原因， 仍然在任務向量中占有一個 task_struct 資料 結構， 就處於僵死態。 Scheduling Information (排程信息) 排程程式需要這個信息以便相當決定系統中哪個程序最需要運行。 Identifiers (辨識器) 每個程序有一個程序辨識器。 程序辨識器不是任務向量的一個索引， 它就是一個數字 而已。 每個程序也有用戶和組辨識器， 它們是用來控制這個程序對系統中的檔案和設備 的存取的。 Inter-Process Communication (IPC, 程序間通訊) Linux 支援 Unix 中古典的 IPC 機制， 如： signal (信號)， pipe (管道) 和 semaphore (信 號燈)，並且支援System V (Unix的一種較流行的標準版本)中的 share memory (共享記憶體 )， semaphore (信號燈) 和 message queue (消息隊列)。 Linux 所支援的 IPC 機制在第 IPC 章中有詳細講述。 Links (連接) Linux 系統沒有程序與別的程序完全無關。 除了初始化程序(init process)之外， 每個進 程都有一個父程序(parent process)。 新程序不是被憑空創造出來的， 它們是從已有的進 程拷貝得來， 或者是複製得來的。 代表程序的每個 task_struct 中都有指標指向它的父進 程， 兄弟程序(同一個父程序產生的程序之間是兄弟關系)， 以及自己的子程序。 你能使 用 pstree 命令看到正在運行的程序的家庭關系， 下面是某次運行 pstree 命令得到的結 果： init(1)-+-crond(98) |-emacs(387) |-gpm(146) |-inetd(110) |-kerneld(18) |-kflushd(2) |-klogd(87) |-kswapd(3) |-login(160)---bash(192)---emacs(225) |-lpd(121) |-mingetty(161) |-mingetty(162) |-mingetty(163) |-mingetty(164) |-login(403)---bash(404)---pstree(594) |-sendmail(134) |-syslogd(78) `-update(166) 另外， 系統中有一個以初始化程序的 task_struct 資料結構為根的雙向鏈結串列， 把所有進 程都鏈接在裡面。 有了這樣的表， Linux 核心就可以方便地查看系統中的每個程序。 這 是為了支援 ps 和 kill 這樣的命令(分別是列出系統中的程序的命令和向程序發送信號的命 令(通常用於終止程序)). Times and Timers (時鐘和定時器) 在程序的生命周期內， 核心記錄程序的創建時間並隨時記錄程序消耗的 CPU 時間。 每過一次時鐘滴答(tick)的時間， 核心就更新目前程序在系統模式和使用者模式所花的 CPU 時間 (以 jiffy 為單位)。 Linux 也支援程序特定的間隔定時器， 程序可以使用系統調用設置定時 器， 當定時器所設置的時間間隔已到， 核心就會給程序發送一個信號。 這些定時器可以 是一次性的或周期性地觸發。 File system (檔案系統) 程序可以打開和關閉檔案。 程序的 task_struct 中包含了指向打開的檔案的描述器 (descriptor)的指標， 還有兩個指向 VFS i節點(inode)的指標。 VFS i節點能夠唯一描述檔案 系統中的一個檔案或目錄， 它也是檔案系統所提供的統一的存取檔案的介面。 關於 Linux 系統中怎樣支援檔案系統， 請參看第章檔案系統。 第一個指標指向程序的根目錄 (程序的可執行映像檔案所在的目錄)， 第二個指向程序的目前目錄或者叫 pwd 目錄(得名 於 Unix 中的 pwd 命令， 是 print working directory 之意。)。 VFS i節點中有一個域用來記 錄有多少個程序指向它們。 現在你明白為什麼當一個程序的 pwd 目錄是你想刪除的目錄 或者是這個目錄的一個子目錄的時候， 你就不能刪除它的原因了吧？ Virtual memory (虛擬記憶體) 大多數程序有一些虛擬記憶體(核心執行緒和精靈(daemon)除外)， Linux 核心必須追蹤虛擬記憶體到系 統實體記憶體上的映射關系。 Processor Specific Context (處理器特定的上下文) 程序可以被看作是系統的目前的各種狀態的集合。 程序運行時要使用處理器的暫存器， 堆疊等等。 這就是所謂的程序上下文。 當程序被暫停時(暫時不再運行)， 這個程序的 CPU 特定的上下文必須被保存到這個程序的 task_struct 中。 當程序被排程器重新啟動時， 它就從這裡恢復它的上下文。 4.2 Identifiers 辨識器 Linux 像所有的 Unix 一樣， 使用用戶(user)和組(group)辨識器在來檢查程序對系統中文 件或者映像的存取權限。 Linux 系統中的檔案都有所有權和許可權， 這些許可權描述了系 統中的用戶對那個檔案有什麼存取權限。 基本的許可權有讀(read)， 寫(write)和執行 (execute)， 它們被分派到3類用戶： 檔案的主人(owner)， 屬於某個特定組的所有程序， 還有系統中的所有程序。 每一類用戶可以有不同的許可權， 例如： 一個檔案可以允許它 的主人讀寫， 允許檔案所在的組讀並且不允許系統中的其它程序存取。 Linux 系統中， 使用組就能夠把檔案的權限分配到一組用戶而不是簡單地到一個用戶或 到所有的程序。 例如， 你可以為一個軟體項目中的所有用戶創建一個組， 並且只允許這 個組中的用戶能夠讀寫該項目的原始程式。 程序能屬於若干組(預設最多能夠屬於32個組)。 每個程序的 task_struct 中有一個組向量(group_vector)來記錄這些組。 只要程序所屬的組 中有一個具有存取權限， 這個程序就有權存取那個檔案。 每個程序的 task_struct 中有4對用戶和組的辨識器： 1。 uid， gid 程序所代表的用戶(也就是啟動這個程序的用戶)的用戶辨識器和組辨識器。 2。 effective uid and gid (有效的 uid 和 gid) 有一些程式在執行的時候會把 uid 和 gid 改變為它們的自己的特定的某個 uid 和 gid (這些程式的可執行映像檔案的 VFS i節點中有一個屬性規定了這樣的行為)。 這些程式被 稱為 "setuid" 程式。 它是限制系統服務(service)的權限一個方法， 尤其在實現為別的用戶 服務的網路精靈程式等類似的服務時很有用。 有效的 uid 和 gid 來自程式的映像檔案本身， 和啟動它的用戶無關。 核心在檢查權限的時候會使用有效的 uid 和 gid. 3。 file system uid and gid (檔案系統 uid 和 gid) 這兩個辨識器通常與有效的 uid 和 gid 一樣， 當檢查檔案系統存取權限時會用上。 這兩個辨識器是為了建立 NFS(Network File System， 網路檔案系統)而使用的， 因為用戶 模式的 NFS 伺服器需要像一個特別的程序一樣來存取檔案。 在這種情況下， 只有檔案 系統 uid 和 gid 被改變(有效的 uid 和 gid 不變)。 這樣可以防止惡意的用戶向 NFS 伺服器 發送 kill 信號。 Kill 信號會被以一個特別的有效 uid 和 gid 發送到程序。 4。 saved uid and gid (節省的 uid 和 gid) 這是 POSIX 標準中要求的兩個辨識器。 當然b序通過系統調用來改變 uid 和 gid 的時 候必須要用它們來保存真實的 uid 和 gid 。 4.3 Scheduling 排程 程序執行時總是一會兒在使用者模式下， 一會兒在系統模式下。 不同的硬體如何實現對這兩 種模式的支援不一定相同， 但是都有一種安全機制保証從使用者模式進入系統模式然後再回到 使用者模式。 使用者模式時程序的權限比較系統模式要小。 每當程序進行系統調用的時候就會從 使用者模式切換到系統模式， 然後繼續運行。 進入系統模式之後， 核心程式碼開始執行， 為這個 程序服務。 在 Linux 系統中， 程序不能從目前正在運行的程序那裡強占執行的權利。 當 執行的程序需要等待某個系統事件的時候， 它就讓出 CPU 。 例如, 程序可能等待從一 個檔案中讀出一個字元。 這個等待在系統調用內部， 處於系統模式﹔ 這時， 等待事件的 的程序將被核心暫停， 其它更著急的程序會被選中來運行。 程序總是要經常做系統調用所以就經常會這樣等待。 盡管如此， 如果程序願意， 它還 是可以長時間地不做系統調用從而不合理地占用 CPU 的處理時間。 因此， Linux 系統要 使用先佔式的排程。 在這種情況下， 每個程序被允許運行一小段時間， 比如 200ms， 如果時間到了， 核心就會暫停目前的程序， (不管它是不是願意)， 選擇別的程序來運行。 這一小段時間就是所謂的 time slice (時間片)。 負責在系統中所有可以運行的程序中選擇最該運行的程序的核心部份是排程器。可以 運行的程序(runnable process)是指這個程序就在等待 CPU 來執行。 Linux 使用基於優先級的相當簡單的排程演算法在系統在目前的程序之間選擇。 當選擇了 新程序來運行時， 它保存目前的程序的狀態， 特定的處理器暫存器以及其它的上下文， 到這個程序的 task_struct 資料結構中。 然後它恢復新程序的狀態(這仍就是處理器相關的)， 把系統的控制交給這個程序， 開始 運行它。 排程器為了能夠公平地分配 CPU 時間， 它在每個程序的 task_struct 中保存了下 列信息： policy (策略) 在這個程序上使用的排程策略。 Linux 程序有兩種類型， 普通和實時。 實時程序比其 它所有的程序的優先級都要高。 如果有實時程序可以運行， 它將總是首先運行。 實時進 程有2種排程策略， Round Robin (輪轉式)和 First in First out (先入先出式)。在輪轉式排程 下， 每個 runnable 的實時程序輪流運行﹔ 在先入先出式排程下， 每個 runnable 的程序依 次運行， 次序就是它們進入運行隊列式的順序， 而且不會變化。 priority (優先級) 程序的優先級。它也是這個程序被允許運行的時間的總量(以 jiffy 為單位)。 通過系統調 用和 nice 命令能夠改變程序的優先級。 rt_priority (實時優先級) 實時程序的優先級高於其他類型的程序。 這個域允許排程器給每個實時程序以相對的 優先級。 實時的程序的優先級可以通過系統調用來改變。 counter (計數器) 這是該程序被允許運行的時間的總量(以 jiffy 為單位)。 程序第一次貽d始運行時， 這個 值就被設定為優先級的大小， 每次時鐘中斷一次， 這個數值就被減小。 核心內若干地方會運行排程器。 把目前的程序放入等待隊列後會運行排程器﹔ 在系統 調用結束， 即將返回到使用者模式的時候， 也可能會運行。 如果系統定時器把目前的程序的 counter 減小到了零， 它也需要運行。 排程器運行時， 需要做的事情是： kernel work (核心工作) 排程器運行 bottom half handler (一種延遲處理任務的機制)並處理排程器的任務隊列。 關於 bottom half handler 以及這些輕量的核心執行緒在 第11章 核心機制 中有詳細講解。 process current process (處理目前程序) 在選擇其它程序運行之前，必須處理目前程序。 如果目前程序的排程策略是 Round Robin (輪轉式)， 它就被放到運行隊列的末尾， 如果任務是可以被中斷的(INTERRUPTIBLE)， 並且自從最後一次排程它之後， 它收到 了一個信號， 那麼就設置它的狀態為 RUNNING(運行)。 如果目前的程序執行超時了，那麼它的狀態變為 RUNING。 如果目前的程序就是 RUNNING，它將保持這個狀態。 不處於 RUNNING 態並且也不是 INTERRUPTIBLE 的程序就被移出運行隊列。 這意味著 當排程器要尋找最需要運行的程序時， 不再會考慮它們。 Process selection (程序選擇) 排程器尋找整個運行隊列來選擇最需要運行的程序。 如果有實時程序(排程策略是實時 的那些)， 它們就會獲得比普通程序更高的權重量。 正常的程序的權重是它的 counter (或 者優先級)， 而實時程序是 counter 加 1000。 這說明如果系統中有處於 runnable 狀態的實 時程序， 它們就會比普通的 runnable 的程序先執行。 目前的程序， 因為已經執行了一段 時間， 經過了若干時間片， 它的 counter 就被減去了一些， 所以如果有同樣優先級的進 答7b的話， 它就要讓位了。 這正是需要的。 如果若干程序有同樣的優先級， 在隊列前 面的被先選中。 目前程序會被放到隊列的最後。 在有許多優先級相同的程序的平衡的系 統中， 它們會被輪流運行。 這就是稱為 Round Robin 的排程方案。然而， 程序會等待資 源， 它們的運行順序就會發生變化。 Swap processes (交換程序) 如果最需要運行的程序不是目前程序， 目前程序就必須被暫停， 新的程序將取而代之。 程序在運行時， 它在使用 CPU 的暫存器和系統的實體記憶體。 調用過程時， 它用暫存器 傳遞參數， 並且可能需要把返回位址放在堆疊中。 因此， 當排程器運行時它是在目前進 程的上下文(Context)中。 這時， CPU 處於特權態下， 也即核心模式， 但是正在運行的仍 然是目前程序。 如果要暫停它， 就必須把它的上下文保存進它的 task_struct 資料結構中。 然後， 新程序的機器狀態的必須被裝載。 這是和具體的系統相關的操作， 各種 CPU 的 做法很不相同， 但是通常有一些硬體輔助來做這件事。 程序上下文的切換在排程器運行結束時進行。 所切換的上下文是與被排程程序有關的 硬體環境在此時的一個快照。 如果剛才的程序或新的目前程序使用虛擬記憶體， 系統的頁表的項目可以需要更新。 同樣地， 這是和特定的機器體系結構相關的。 像 Alpha AXP 這樣的處理器， 使用 Look-aside Tables (轉換對照表)或者 cached Page Table Entries (緩衝頁表項)， 必須刷新那些屬於先 前程序的表項。 4.3.1 多處理機系統中的排程 多個 CPU 的系統在 Linux 世界中是相當稀罕的， 但是 Linux 系統中已經做了很多工作 使其成為一個 SMP(Symetric Multi Processing 對稱多處理) 作業系統。 那就是說， 有能力 在系統的 CPU 之間平衡工作。 在排程器中做這種工作是最合適的。 多處理器系統中， 理想的情況是所有處理器均忙於運行程序。 每當一個 CPU 的目前 的程序用盡它的時間片或必須等一個系統資源， 就會單獨運行排程程式。 關於一個 SMP 統要注意的第一事情是系統中不止存在一個空閒的程序。 在單處理器系統中空閒的 程序是在任務向量的第一任務， 在一個 SMP 系統中每個 CPU 都有一空閒的程序， 並且 你可能有不止一個空閒的 CPU 。另外每個 CPU 有一個目前程序， 因此 SMP 系統必須追 蹤每個處理器上的目前程序和空閒程序。 SMP 系統中每個程序的 task_struct 包含它目前正運行在上面的處理器的數字 (processor)以及上次運行在上面的處理器的數字(last_processor)。 雖然程序可以每次在不 同的 CPU 上面運行， Linux 可以使用 processor_mask 來限制程序可以使用的 CPU 。 如 果 processor_mask 的第 N 位被設置， 這個程序就能在處理器 N 上運行。 當排程器選擇 新程序， 它不會選擇 processor_mask 中和目前的處理器對應的位被清除的程序。 排程器 會略微照顧上次在這個處理器上面運行的程序， 因為把程序在不同的處理器之間移動通 常會帶來一定的性能損失。 4.4 Files (檔案)
圖 4.1 ：程序的檔案
圖 4.2 ：程序的虛擬記憶體
圖 4.3 ：註冊的二進制格式
圖 4.4 ：ELF 可執行檔案檔案格式