Linux V2.2.X（i386體系結構）進程管理分析
2024-07-21 02:37:30
供稿：網友
linux V2.2.X（i386體系結構）進程治理分析及最大進程數的限制的突破
進程治理是操作系統最要害的部分，它的設計和實現直接影響到整個系統的性能。在一個多進程的操作系統中，一個時間段內可以有多個進程“并發”執行。這樣就避免了較為快速的cpu等待較為低速的I/O設備的情況，提高了cpu利用率，從而提高系統的性能。另一個方面，同時運行多個進程，就可以同時提供多種服務或者同時為更多的客戶服務，這也是現代操作系統的基本任務。
在基于Intel i386體系結構的Linux操作系統中，已經提供了這樣的多進程運行的支持。通過合理的選擇進程調度算法，可以獲得比較好的平均相應時間和較高的系統性能。但是，美中不足的是，在目前的2.2.x版本的Linux內核中，存在對最大進程數的限制。也就是說，在目前的Linux系統中，最多只能有4090個用戶進程同時存在。對于一般的桌面應用，這個數目是綽綽有余。但是，對于企業級的服務器應用來說，則是不夠的。
設想一個典型的Web服務器軟件，它們一般都采用多進程/線程的結構。每當接到一個連接請求，就產生一個子進程/線程來處理。顯然，對于一個重負載的服務器來說，同時有成千上萬個連接是很常見的。而這時，采用kernel 2.2.x的系統就不能勝任了。因此，可以說正是因為存在這個最大進程數的限制，使得Linux不能勝任企業級服務器操作系統的工作。事實上，目前這個級別的操作系統一般都是較為成熟，并且沒有上述限制的Solaris、AIX、HP-UX等系統。
值得一提的是，眾多的Linux開發者已經熟悉到了這個問題。kernel 2.2.x的后續版本，例如試驗版本2.3.x和2.4都已經著手解決這個問題。然而，現在離2.4的發布還有很長的時間，同時2.4在使用中達到穩定，又需要一段時間。在這一段時間中，我們是不是只有等待或者選用其他系統呢？或者說，能否有一種方案，可以在2.2.x的內核上突破這個進程數的限制呢？
要回答這個問題，就必須先對2.2.x核心的進程治理加以分析。
一、i386體系結構與kernel V2.2.X存儲治理
提到進程治理就必須首先了解基本的i386體系結構和存儲治理。這是因為體系結構決定了存儲治理的實現，而進程治理又與存儲治理密不可分。在現代操作系統中，存儲治理一般都采用虛擬存儲的方式，也就是系統使用的地址空間與實際物理地址空間不同，是“虛擬”的地址。處理器提供一定的機制將“虛擬”的地址轉換為實際的地址。操作系統的存儲治理就是基于處理器提供的地址轉換機制來實現的。
基本的存儲治理有兩種方式，即段式和頁式。段式治理就是將內存劃分為不同的段（segment)，通過段指針來訪問各個段的方法。在比較早的系統中，如pdp-11等就是采用這種方法。這種方法的缺點是在設計程序時必須考慮段的劃分，這是很不方便的。頁式治理就是將內存劃分為固定大小的若干個頁面（page），以頁面為單位分配使用。通過頁映射表完成地址轉換。
i386的存儲治理采用兩級虛擬的段頁式治理，就是說它先分段，再分頁。具體地說，它通過gdt(Global Descriptor Table)和ldt(Local Descriptor Table)進行分段，把虛擬地址轉換為線性地址。然后采用兩級頁表結構進行分頁，把線性地址轉換為物理地址。下圖表示了i386中虛擬地址到物理地址的轉換：
在Linux中，操作系統處于處理器的0特權級，通過設置gdt，將它的代碼和數據放在獨立的段中，以區別于供用戶使用的用戶數據段和代碼段。所有的用戶程序都使用相同的數據段和代碼段，也就是說所有的用戶程序都處于同一個地址空間中。程序之間的保護是通過建立不同的頁表映射來完成的。Linux 2.2.x gdt表中的段描述符如下圖所示：
在實際的使用中，用戶程序還可以通過調用設置ldt的系統調用來擁有自己的地址空間。
二、Kernel 2.2.x進程治理
進程是一個程序的一次執行的過程，是一個動態的概念。在i386體系結構中，任務和進程是等價的概念。進程治理涉及了系統初始化、進程創建/消亡、進程調度以及進程間通訊等等問題。在Linux的內核中，進程實際上是一組數據結構，包括進程的上下文、調度數據、信號處理、進程隊列指針、進程標識、時間數據、信號量數據等。這組數據都包括在進程控制塊PCB（PRocess Control Block）中。
Linux進程治理與前面的i386體系結構關系十分密切。前面已經討論了i386所采用的段頁式內存治理的基本內容，實際上，i386中的段還有很多用處。例如，在進程治理中要用到一種非凡的段，就是任務狀態段tss(Task Status Segment)。每一個進程都必須擁有自己的tss，這是通過設置正確的tr寄存器來完成的。根據i386體系結構的定義，tr寄存器中存放的是tss的選擇符(selector)，該選擇符必須由gdt中的項（即描述符descriptor）來映射。同樣的，進程的ldt也有這種限制，即ldtr對應的選擇符也必須由gdt中的項來映射。
在kernel 2.2.x中，為了滿足i386體系結構的這種要求，采用了預先分配進程所需要的gdt項目的方法。也就是為每一個進程保留2項gdt條目。進程PCB中的tr和ldtr值就是它在gdt中的選擇符。進程與它的gdt條目的對應關系可以由task數組來表示。
下面是具體的分析。
1.系統初始化
在Linux 2.2.x中，一些與進程治理相關的數據結構是在系統初始化的時候被初始化的。其中最重要的是gdt和進程表task。
Gdt的初始化主要是確定需要為多少個進程保留空間，也就是需要多大的gdt。這是由一個宏定義NR_TASKS決定的。NR_TASKS的值就是系統的最大進程數，它是在編譯的時候被確定的。由圖2可以知道，gdt的大小是10+2+NR_TASKS*2。
進程表task實際上是一個PCB指針數組，其定義如下： StrUCt task_struct *task[NR_TASKS] = {&init_task,}；
其中，init_task是系統的第0號進程，也是所有其它進程的父進程。系統在初始化的時候，必須手工設置這個進程，把它加到進程指針表中去，才能啟動進程治理機制。可以看出，這里task的大小同樣依靠于NR_TASKS的定義。
2.進程創建
在Linux 2.2.x中，進程是通過系統調用fork創建的，新的進程是原來進程的子進程。需要說明的是，在2.2.x中，不存在真正意義上的線程（Thread)。Linux中常用的線程pthread實際上是通過進程來模擬的。也就是說linux中的線程也是通過fork創建的，是“輕”進程。fork系統調用的流程如下：
比較要害的步驟是：
a)將新進程的PCB加入到進程表中。從前面的討論可以知道，進程表task的大小是預先定義的，所以首先要從task中找到一個空的表項：nr = find_empty_process()。假如不能找到空的表項，說明系統已經達到了最大進程數的上限，不能創建新進程。返回的nr是空閑表項的下標。
b)將父進程的地址空間復制到子進程中。在這一步中，還要復制父進程的ldt到子進程，然后在gdt中建立子進程的ldt描述符(descriptor),并將這個選擇符保存在PCB中。
為子進程設置tss。同時在gdt中建立子進程的tss描述符，并將這個選擇符保存在PCB中。
3.進程調度 這里我們暫不討論進程調度的算法，只是看一看進程切換時應該做的工作。在Linux 2.2.x中，進程切換是在switch_to函數中完成的。Switch_to基本操作如下： 1） 設置ltr，加載新進程的tss 2） 保存原進程的fs，gs寄存器到它的PCB中。 3） 假如需要，加載新進程的ldt 4） 加載新進程的頁表 加載新進程的fs和gs 以上的tss和ldt的選擇符都是從進程的PCB中取出的。
三、突破最大進程數的限制
1.限制的起因
通過以上的討論，我們可以看出Linux 2.2.x最大進程數限制產生的原因： Linux 2.2.x中定義的宏NR_TASKS,在編譯時靜態決定了X86系統運行時的進程數上限。該數在系統初始化時靜態決定了gdt表的總長度。但因為i386體系結構的特點，全局描述符表寄存器gdtr長度域為16位，每項描述符為8字節，故可容納的 最大描述符數 = 1《（16-3）=1《13 = 8192 個。 內核在初始化時對gdt表的前12 項已有非凡安排，如下所示： 1） 空描述符（第0項），保留描述符（第1，6，7項） 2） 內核代碼、數據段（第2，3項） 及用戶代碼、數據段（第4，5項） 3） APM BIOS 使用段（第8--11項） 同時由于每個進程需要兩項分別存放tss和ldt描述符，因此理論上 可用于進程的數目為 = （8192-12）/2=4090個。
2．解決方案
可見，突破最大進程數的限制，必須解決沒有足夠的gdt表項的問題。Gdt的大小是硬件限制的，所以只能考慮動態地設置進程的tss和ldt描述符，取消為進程預先分配gdt空間的做法。
事實上，根據進程數據結構PCB的分析可知，內核中可以動態地尋址到每個進程的tss 和ldt （假如有的話）段，因此在任務切換時通過PCB指針即可引用上述兩段的尋址，分別為：
進程tss段：proc->tss 進程ldt段：proc->mm->segments
所以，靜態地分配并保留這兩個段的描述符是完全沒有必要的。我們可以在任何需要的時候建立起它們，例如在切換時將該兩段的段描述符動態設置到gdt表中即可。
這種方法的要害在于在gdt中為每個cpu保留兩個描述符，分別存放該cpu上正在運行的進程的tss、ldt描述符。這兩個描述符則是在進程切換時由操作系統根據進程PCB中的內容建立起來的。
3.方案實現
要突破上述4090進程數的限制,需要動態設置進程的TSS及LDT段描述符。具體體現在兩方面：
1）系統初始化： a)在head.S中將靜態設置的GDT表長度置為最大值8192。 b)在desc.h的GDT表定義中，在進程可用的第一項位置插入NR_CPUS*2項，作為每顆C
