linux进程管理基础

一、概念引入

• 线性内存----应用程序员看到的内存空间定义为线性空间，应用程序员提供的线性空间却是固定的，不会随物理内存的变化而变化，这样才能保证应用程序的可移植性。
• 物理内存----主板上所用的内存大小。
• CPU执行级别----CPU将特权级别分为4个级别：RING0（特权级）,RING1,RING2,RING3。其中RING0和RING3在用，与RING0交互的只是内核，与RING3可以是用户程序。
• Task structure----内核数据结构，用于进程记录管理。
• MMU----内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。
• TLB(Translation Lookaside Buffer)转换检测缓冲区----是一个内存管理单元,用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。
• 进程状态：R (TASK_RUNNING)，可执行状态、S (TASK_INTERRUPTIBLE)，可中断的睡眠状态、D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态、T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暂停状态或跟踪状态、Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，退出状态，进程成为僵尸进程。
• 内核空间和用户空间是现代操作系统的两种工作模式，内核模块运行在内核空间，而用户态应用程序运行在用户空间。它们代表不同的级别，而对系统资源具有不同的访问权限。内核模块运行在最高级别（内核态），这个级下所有的操作都受系统信任，而应用程序运行在较低级别（用户态）。在这个级别，处理器控制着对硬件的直接访问以及对内存的非授权访问。内核态和用户态有自己的内存映射，即自己的地址空间。
• 进程上下文----就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。

从上图可以看出，当一个用户发起一个命令或者启动一个程序时，会建立一个进程，刚开始以用户方式启动，这时处于用户态，将其用户空间要执行的内容载入内存，并交由CPU执行相关指命，执行完成，内存释放空间，结束进程；或者，处于用户态时，需要进行系统调用，这时由用户态转化为内核态，将其内核空间要执行的内容载入内存，并交由CPU执行相关指命，执行完成，内存释放空间，结束进程。

上图反映了如下信息：

1、  进程的4G 线性空间被划分成三个部分：进程空间（0-3G）、内核直接映射空间（3G – high_memory）、内核动态映射空间（VMALLOC_START  -  VMALLOC_END）

2、  三个空间使用同一张页目录表，通过 CR3 可找到此页目录表。但不同的空间在页目录表中页对应不同的项，因此互相不冲突

3、  内核初始化以后，根据实际物理内存的大小，计算出 high_memory、VMALLOC_START、VMALLOC_END 的值。并为“内核直接映射”空间建立好映射关系，所有的物理内存都可以通过此空间进行访问。

4、  “进程空间”和“内核动态映射空间”的映射关系是动态建立的（通过缺页异常）

假设在有三个线性地址 addr1, addr2, addr3 ，分别属于三个线性空间，但是最终都映射到物理页面1：

1、 三个地址对应不同的页表和页表项

2、但是页表项的高 20bit 肯定是1，表示物理页面的索引号是1

3、同时，根据高 20 bit，可以从 mem_map[] 中找到对应的 struct page 结构，struct page 用于管理实际的物理页面（红线）

4、从线性地址，根据页目录表，页表，可以找到物理地址

5、Struct page 和物理地址之间很容易互相转换

6、从物理地址，可以很容易的反推出在内核直接映射空间的线性地址（蓝线）。要想得到在进程空间或者内核动态映射空间的对应的线性地址，则需要遍历相应的“虚存区间”链表。

关于页目录表：

1、每个进程有一个属于自己的页目录表，可通过 CR3 寄存器找到

2、而内核也有一个独立于其它进程的页目录表，保存在 swapper_pg_dir[] 数组中

3、当进程切换的时候，只需要将新进程的页目录把地址加载到 CR3 寄存器中即可

4、创建一个新进程的时候，需要为它分配一个 page，作为页目录表，并将 swapper_pg_dir[] 的高 256 项拷贝过来，低 768 项则清

 

 

参考原文：https://blog.csdn.net/rstevens/article/details/1760907

https://www.cnblogs.com/zqz365001/p/4544741.html

http://www.linfo.org/context_switch.html

https://blog.csdn.net/qq_34228570/article/details/72995997