理解Linux操作系统——Process和Memory
学习自《Linux性能分析》
Linux 进程管理
Process：an instance of execution that runs on a processor.
Linux操作系统通过进程描述符task_struct结构体管理进程。
Thread： an execution unit generated in a single process, also called Light Weight Process (LWP).
进程priority和nice级别
priority: 包括dynamic priority和static priority，值越大，获得CPU的可能性也越大。
nice: 用户可以改变进程的nice级别，来间接地改变进程的static priority。取值范围19（lowest priority）到-20（highest priority），默认值0。
上下文切换
在进程执行时，运行进程的信息存储在处理器的寄存器和cache中。上下文切换只发生在内核态。
处理器的3种状态：
- 内核态：运行于Process Context，内核代表进程运行于内核空间
- 内核态：运行于Interrupt Context，内核代表硬件运行于内核空间
- 用户态：运行于用户空间
中断处理
hard interrupt: 由硬件产生。
soft interrupt: 由程序产生，即信号。
在多处理器环境下，通过绑定中断到一个特定的处理器上能够提高系统的性能。
进程状态
- TASK_RUNNING: 正在运行或者在运行等待队列中。
- TASK_STOPPED: 接收到了信号（例如SIGINT、SIGSTOP）使进程挂起，等待SIGCONT信号恢复运行。
- TASK_INTERRUPTIBLE: 进程被挂起，并等待特定的条件发生。
- TASK_UNINTERRUPTIBLE: 信号对于处于该状态的进程无作用，例如一个在等待磁盘I/O操作de进程。
- TASK_ZOMIBE: 进程调用exit()后，等待父进程获取其退出状态信息。
进程内存段
进程地址空间：
- Text segment: 存储可执行代码。
- Data segment:
Data: 初始化数据，例如静态变量 BSS: zero-initialized data Heap: malloc()分配的内存，往高地址空间增长
- Stack segment: local variables、函数参数、函数的返回地址，往低地址空间增长。
可通过pmap命令查看用户进程地址空间情况。
Linux CPU 调度
Linux内核使用O(1)算法来选择一个进程运行。
算法使用了2个进程优先级数组：active和expired。
当一个进程次分配到时间片时，它会被放置在active数组。当进程时间片用完时，会分配新的时间片，然后放置在expired数组。当active数组为空了，两个数组就进行转换。
内存架构
参考博文：linux内核内存管理和linux内存管理–用户空间和内核空间
通常在32bit机器上，Linux会把物理内存划分为几个zone：ZONE_DMA（I/O设备专用内存）、ZONE_NORMAL（内核能直接使用）、ZONE_HIGHMEM（内核无法直接使用，需要将这部分空间做一个映射，映射关系存储在ZONE_NORMAL中）。
虚拟地址被划分为内核空间和用户空间，32bit机器上虚拟地址与物理地址映射关系：
32bit机器4G虚拟地址空间解析图：
对于64bit机器，通常没有ZONE_HIGHMEM，因为64bit的虚拟地址中的内核空间足以映射非常大的物理内存。
虚拟内存管理器
默认的虚拟内存管理器配置会把所有空闲的内存分配为disk cache使用。
页面分配
一页通常为4K bytes。当一个进程请求一定数量的页面时，如果有足够的页面，Linux内核会立即分配给它。否则，需要从其他进程或页缓存获取页面。
伙伴系统
Linux内核通过buddy system的机制维护空闲页面。
页面再生
如果无法为进程分配到需要的页面，Linux内核会试图通过释放某些页面来为进程分配所需的页面。这个过程称为page reclaiming，kswapd内核线程和try_to_free_page()内核函数负责这一过程。
kswapd通常是一个处于interruptible state的线程，被buddy system调用，基于LRU算法查找候选的页面。它会扫描active list查找出最近最少使用的页面，然后将其放到inactive list中。
可通过vmstat -a命令查看有多少内存是active和inactive。
kswapd也遵循另外一个原则。页面通常用于两种途径：page cache和process address space。当kswapd进行page reclaiming时，会选择page cache进行释放，而不是page out或者swap out进程的页面。
- page out: take some pages (a part of entire address space) into swap space.
- swap out: taking entire address space into swap space.
swap
Linux会高效地利用swap空间，当发现swap空间使用了许多时，并不一定是内存瓶颈问题。