Linux进程工作原理详解：深入理解进程在系统中的作用 (linux下进程工作原理)

Linux操作系统是一种开源的操作系统，它是由Linus Torvalds于1991年开发的。与其他操作系统相比，Linux具有更加灵活的功能和更好的性能。其中最重要的组成部分之一是进程。在本文中，我们将会深入探讨Linux进程工作原理，以便于更好地理解进程在系统中的作用。

什么是进程？

进程是计算机科学中的一个概念，它指的是应用程序运行时所占用的资源，包括CPU、内存、文件、网络连接等。每个进程都有自己的唯一标识符（PID），用于区分它和其他进程。同一时间可以有多个进程在运行，每个进程都可以完成各自的任务。

Linux进程的创建

对于一个Linux进程而言，它是在一段C语言程序中调用fork()系统调用时创建的。在这种情况下，原始进程被复制，新进程成为原始进程的子进程。子进程将复制父进程的所有资源，包括内存占用、打开的文件描述符和环境变量等。当然，子进程也可以单独创建新的资源，如打开新的文件或网络连接等。

进程状态

在Linux系统中，进程具有五种不同的状态，包括新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和终止状态。

1.新建状态：这是一个进程被创建时的状态，但是操作系统并不会立即执行该进程。

2.就绪状态：进程已作系统分配了所有必需的资源和内存，等待系统执行。

3.运行状态：进程获得了CPU时间并正在执行。

4.阻塞状态：进程已经开始运行，但是由于I/O等原因而被阻塞，等待系统通知继续运行。

5.终止状态：进程已经完成了它的任务并退出了。

进程通信

在Linux操作系统中，进程之间可以进行通信，以便相互之间交换信息和完成一些需要协作完成的任务。进程通信的方式主要有管道、消息队列、共享内存、信号和套接字等。

管道是最简单的进程间通信方式，它可以将一个进程的输出直接传递给另一个进程的输入。

消息队列是一种进程间通信的高级机制，可以实现选择性读取和非阻塞式读取。

共享内存是一种操作系统内存管理机制，它可以将一段内存映射到多个进程的地址空间中，实现多个进程之间共享数据。

信号是一种异步通信机制，用于向进程发送通知信号来引起它进行响应。

套接字是通常用于网络通信的通信机制，不仅可以用于进程与进程之间的通信，还可以用于进程与不同机器之间的通信。

进程是操作系统中最基本的概念之一，理解Linux进程工作原理可以对程序员更好地使用Linux操作系统有很大帮助。在本文中，我们介绍了Linux进程的创建过程、状态、以及进程间通信的方式。这些知识有助于您更好地编写、调试和优化自己的代码。

相关问题拓展阅读：

• linux 下 进程和线程的定义和关系。
• Linux内核设计与实现 进程调度1: 基本概念
• Linux驱动程序的工作原理

linux 下 进程和线程的定义和关系。

1.进程：

执行中的目标代码，正在运行的程序，它不仅包括目标代码，还有数据、资源、状态和虚拟的计算机。在linux中，最常见的可执行格式是elf。它包括元数据和多个代码和数据段。

常见的数据段有data段，text段和bss段，每个段都存放着不同的数据。

2：锋磨一个进程有一个或多个线程，它是执行进程的目标代码和维护进程状态的，它是进程银慎斗的最小执行孝含单元。它包含了堆栈，cpu状态和目标代码的位置信息。

Linux内核设计与实现 进程调度1: 基本概念

进程大致可分为I/O密集型和 CPU密集型。

调度依据 动态优先雀旅级 ，所谓动态优先级就是初始化时给出一个基础优先级，随后优先级可被调度程序动态的增减。高优先级进程也获得较长的时间片。I/O密集型通常被提升优先级，而CPU密集型则被降低。

Linux系统有两种独立的优先级范围。之一种是 Nice 值，返回是，默认值为0。数值越高优先级越低。Nice值影响了时间片的分配。如果进程拥有-20的Nice值，那么该进程将被分配理论最长的时间片。Nice值是所有Unix系统的标准优先级。

Linux的第二种优先级范围是睁岁乱 实时优先级 。这个优先级的值是可配置的。通常来说范围在。 所有实时进程的优先级都高于普通进程 。(实时进程是什么？)

时间片是一个数值，决定了进程被抢占前可运行的时间。必须为进程分配合适长度的时间片。时间片太长会影响系统的交互性，时间片太短则会导致系统花费大量的时间用于进程的切换。同时还要兼顾I/O密集型和 CPU密集型进程的矛盾。因为I/O密集型无需长时间片，却渴望经常运行。而Linux却提供了相对较长的默认时间片——100毫秒。   

注意到，进程不必在每次被调度运行后就花光自己所有的时间片。举例来说，如果一个进程拥有长达100毫秒的时间片，那么它可以在五个不同时段运行，每次花费20毫秒的时间片。这么做的好处是，一个拥有长时间片的进程（尽管它本身不需要如此长的时间片），可以尽可能长时间的保持运行状态。而不会过早地被丢入等待调度的队列中（稍后说到）。这就好比键盘驱动进程的实现方法。

当某进程的状态变为TASK_RUNNING的时候，内核会检查它的优先级是否高于当前正在执行的任务。如果是，调度进程就会使该进程抢占CPU。另外，如果一个进程的时间片变成0（意味着用尽了所有时间片，只能等待所有进程时间片为0才会重新分配），调度进程会被再次调用，选择一个新的进程运行。

Linux驱动程序的工作原理

由于你的问题太长我只好转载别人的手打的太累不好意思~~~

Linux是Unix***作系统的一种变种,在Linux下编写驱动程序的原理和

思想完全类似于其他的Unix系统,但它dos或window环境下的驱动程序有很大的

区别.在Linux环境下设计驱动程序,思想简洁,***作方便,功芤埠芮看?但是

支持函数少,只能依赖kernel中的函数,有些常用的***作要自己来编写,而且调

试也不方便.本人这几周来为实验室自行研制的一块多媒体卡编制了驱动程序,

获得了一些经验,愿与Linux fans共享,有不当之处,请予指正.

以下的一些文字主要来源于khg,johnsonm的Write linux device driver,

Brennan’s Guide to Inline Assembly,The Linux A-Z,还有清华BBS上的有关

device driver的一些资料. 这些资料有的已经过时,有的还有一些错误,我依

据自己的试验结果进祥让行了修正.

一. Linux device driver 的概念

系统调用是***作系统内核和应用程序之间的接口,设备驱动程序是***作系统

内核和机器硬件之间的接口.设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样

在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件, 应用程序可以象***作普通文件

一样对硬件设备进行***作.设备驱动程序是内核的一部分,它完成以下的功能:

1.对设备初始化和释放.

2.把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据.

3.读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据.

4.检测和处理设备出现的错误.

在Linux***作系统下有两类主要的设备文件类型,一种是字符设备,另一种是

块设备.字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时,实际

的硬件I/O一般就紧接着发生了,块设备则不然,它利用一块系统内存作缓冲区,

当用户进程对设备请求能满足用户的要求,就返回请求的数据,如果不能,就调用请求函数来进行实际

的I/O***作.块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的,以免耗费过多的CPU时间

来等待.

已经提到,用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道.每个设备文件都

都有其文件属性(c/b),表示是字符设备还蔤强樯璞?另外每个文件谨李局都有两个设

备号,之一个是主设备号,标识驱动程序,第二个是从设备号,标识使用同一个

设备驱动程序的不同的硬件设备,比如有两个软盘,就可以用从设备号来区分

他们.设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号

一致,否则用户进程将无法访问到驱动程序.

最后必须提到的是,在用户进程调用驱动程序时,系统进入核心态,这时不再是

抢先式调度.也就是说,系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他

的工作.如果你的驱动程序陷入死循环,不幸的是你只有重新启动机器了,然后就

是漫长的fsck.//hehe

(请看下节,实例剖析)

读/写时,它首先察看缓冲区的内容,如果缓冲区的数据

如何编写Linux***作系统下的设备驱动程序

Roy G

二.实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序.虽然它什么也不做,但是通过它

可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理扰迅.把下面的C代码输入机器,你就会

获得一个真正的设备驱动程序.不过我的kernel是2.0.34,在低版本的kernel

上可能会出现问题,我还没测试过.//xixi

#define __NO_VERSION__

#include

#include

char kernel_version = UTS_RELEASE;

这一段定义了一些版本信息,虽然用处不是很大,但也必不可少.Johnsonm说所

有的驱动程序的开头都要包含,但我看倒是未必.

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道,对设备文件的***作方式不外乎就

是一些系统调用,如 open,read,write,close…., 注意,不是fopen, fread.,

但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据

结构:

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

int (*read) (struct inode * ,struct file *, char ,int);

int (*write) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

int (*readdir) (struct inode * ,struct file *, struct dirent * ,int);

int (*select) (struct inode * ,struct file *, int ,select_table *);

int (*ioctl) (struct inode * ,struct file *, unsined int ,unsigned long

int (*mmap) (struct inode * ,struct file *, struct vm_area_struct *);

int (*open) (struct inode * ,struct file *);

int (*release) (struct inode * ,struct file *);

int (*fsync) (struct inode * ,struct file *);

int (*fasync) (struct inode * ,struct file *,int);

int (*check_media_change) (struct inode * ,struct file *);

int (*revalidate) (dev_t dev);

}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用.用户进程利用系统调用

在对设备文件进行诸如read/write***作时,系统调用通过设备文件的主设备号

找到相应的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制

权交给该函数.这是linux的设备驱动程序工作的基本原理.既然是这样,则编写

设备驱动程序的主要工作就是编写子函数,并填充file_operations的各个域.

相当简单,不是吗?

下面就开始写子程序.

#include

#include

#include

#include

#include

unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode *node,struct file *file,

char *buf,int count)

{

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,count) == -EFAULT )

return -EFAULT;

for(left = count left > 0 left–)

{

__put_user(1,buf,1);

buf++;

}

return count;

}

这个函数是为read调用准备的.当调用read时,read_test()被调用,它把用户的

缓冲区全部写1.

buf 是read调用的一个参数.它是用户进程空间的一个地址.但是在read_test

被调用时,系统进入核心态.所以不能使用buf这个地址,必须用__put_user(),

这是kernel提供的一个函数,用于向用户传送数据.另外还有很多类似功能的

函数.请参考.在向用户空间拷贝数据之前,必须验证buf是否可用.

这就用到函数verify_area.

static int write_(struct inode *inode,struct file *file,

const char *buf,int count)

{

return count;

}

static int open_(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

} static void release_(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

这几个函数都是空***作.实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构

提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {

NULL,

read_test,

write_test,

NULL, /* test_readdir */

NULL,

NULL, /* test_ioctl */

NULL, /* test_mmap */

open_test,

release_test, NULL, /* test_fsync */

NULL, /* test_fasync */

/* nothing more, fill with NULLs */

};

设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序

可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules),

如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能

动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)

{

int result;

result = register_chrdev(0, “test”, &test_fops);

if (result

printk(KERN_INFO “test: can’t get major number “);

return result;

}

if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */

return 0;

}

在用inod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在

这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符

设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是

零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，

参数三用来登记驱动程序实际执行***作的函数的指针。

如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void)

{

unregister_chrdev(test_major, “test”);

}

在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test

在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。

下面编译

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c

得到文件test.o就是一个设备驱动程序。

如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后

ld -r file1.o file2.o -o modulename.

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

$ inod -f test.o

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test,

并可以看到它的主设备号,。

要卸载的话，运行

$ rmmod test

下一步要创建设备文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices | awk “\$2==”test” {print \$1}”

就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是从设备号，设置成0就可以了。

我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include

#include

#include

#include

main()

{

int testdev;

int i;

char buf;

testdev = open(“/dev/test”,O_RDWR);

if ( testdev == -1 )

{

printf(“Cann’t open file “);

exit(0);

}

read(testdev,buf,10);

for (i = 0; i

printf(“%d “,buf);

close(testdev);

}

编译运行，看看是不是打印出全1 ？

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，

DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。

如何编写Linux***作系统下的设备驱动程序

Roy G

三 设备驱动程序中的一些具体问题。

1. I/O Port.

和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，

在linux下，***作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可以

对任意的I/O口***作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免

误用端口。

有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。

1）check_region(int io_port, int off_set)

这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。

参数1：io端口的基地址，

参数2：io端口占用的范围。

返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。

2）request_region(int io_port, int off_set,char *devname)

如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用

之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports

文件中可以看到你登记的io口。

参数1：io端口的基地址。

参数2：io端口占用的范围。

参数3：使用这段io地址的设备名。

在对I/O口登记后，就可以放心地用inb(), outb()之类的函来访问了。

在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当

于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。在dos环境下，

（之所以不说是dos***作系统是因为我认为DOS根本就不是一个***作系统，它实

在是太简单，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk

提供了一个vmm 调用 _MapLinearToPhys,用以把线性地址转化为物理地址。但

在Linux中是怎样做的呢？

2 内存***作

在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用

get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages. 请注意，

kmalloc等函数返回的是物理地址！而malloc等返回的是线性地址！关于

kmalloc返回的是物理地址这一点本人有点不太明白：既然从线性地址到物理

地址的转换是由386cpu硬件完成的，那样汇编指令的***作数应该是线性地址，

驱动程序同样也不能直接使用物理地址而是线性地址。但是事实上kmalloc

返回的确实是物理地址，而且也可以直接通过它访问实际的RAM，我想这样可

以由两种解释，一种是在核心态禁止分页，但是这好像不太现实；另一种是

linux的页目录和页表项设计得正好使得物理地址等同于线性地址。我的想法

不知对不对，还请高手指教。

言归正传，要注意kmalloc更大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符

结构占用了。kmalloc用法参见khg.

内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F

以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得

重新映射以后的地址。

另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直

驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。

这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。

具体做法是：比如说你的机器由32M的内存，在lilo.conf的启动参数中加上

mem=30M，这样linux就认为你的机器只有30M的内存，剩下的2M内存在vremap

之后就可以为DMA所用了。

请记住，用vremap映射后的内存，不用时应用unremap释放，否则会浪费页表。

3 中断处理

同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。

int request_irq(unsigned int irq ,

void(*handle)(int,void *,struct pt_regs *),

unsigned int long flags,

const char *device);

irq: 是要申请的中断。

handle：中断处理函数指针。

flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。

device：设备名。

如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的

中断。

4一些常见的问题。

对硬件***作，有时时序很重要。但是如果用C语言写一些低级的硬件***作

的话，gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序就错掉了。如果用汇编写呢，

gcc同样会对汇编代码进行优化，除非你用volatile关键字修饰。最保险的

办法是禁止优化。这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码

都不优化，你会发现驱动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要

用到gcc的一些扩展特性，而这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现

出来。

关于kernel的调试工具，我现在还没有发现有合适的。有谁知道请告诉我，

不胜感激。我一直都在printk打印调试信息，倒也还凑合。

关于设备驱动程序还有很多内容，如等待/唤醒机制，块设备的编写等。

我还不是很明白，不敢乱说。

linux下进程工作原理的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容，更多关于linux下进程工作原理,Linux进程工作原理详解：深入理解进程在系统中的作用,linux 下 进程和线程的定义和关系。,Linux内核设计与实现 进程调度1: 基本概念,Linux驱动程序的工作原理的信息别忘了在本站进行查找喔。