linux支持多進程特性，可以最大化的使用cpu資源；用戶可以在同一個cpu上運行多個用戶程序。多進程的原理是：時鐘中斷觸發進程調度程序，調度程序分時運行多個進程。這就要求每個進程能夠保留現場信息（cpu現場、系統資源、調度信息等）。
linux使用進程描述符數據結構記錄現場信息，然後基於進程描述符管理進程，包括進程的創建、調度、消亡等操作。
本系列文章將詳細講述進程管理相關的知識，內核版本爲3.10，發行版爲ubuntu12.04。
一、目的
在介紹進程管理之前，先介紹進程描述符的概念及現場信息，並闡述這些信息的具體含義。
二、進程描述符
進程不僅僅是運行着的程序，還包括擁有的系統資源、當前cpu現場、調度信息、進程間關係等重要信息，記錄這些現場信息的結構就是進程描述符task_struct（可以在include/linux/sched.h中找到定義）。
每個進程都有一個進程描述符，記錄以下重要信息：進程標識符、進程當前狀態、棧地址空間、內存地址空間、文件系統、打開的文件、信號量等。
進程描述符在內存中的存放位置比較有特點。由於系統需要頻繁的獲取當前進程描述符的地址，爲了提高效率，linux巧妙的實現該功能，使用current宏可以快速得到當前進程地址。
在x86體系中，通過SP寄存器可以快速獲取當前進程棧的位置；linux在棧的末端存放了一個特殊的數據結構thread_info，thread_info中存放了指向task_struct的指針。根據這個原理，首先當前進程通過SP寄存器獲取棧的位置，然後根據棧大小（一般爲1-2頁）獲取thread_info的地址，最後通過thread_info獲取當前進程的地址。
基於以上分析，進程的內核棧與thread_info存放在同一頁內，thread_info與內核棧共享了頁。從源代碼中可以看出，在分配內核棧的同時也分配了thread_info。
三、進程ID與線程組ID
linux不嚴格區分進程與線程，把進程與線程統稱爲輕量級進程，如果某個輕量級進程是線程組長，那麼就是符合POSIX標準定義的進程概念；如果是線程組員，那麼就是符合POSIX標準定義的線程概念。
根據POSIX標準，一個進程內的所有線程的ID就是該進程的ID，線程自己沒有獨立的線程ID；但是，linux不僅有進程ID，而且給每個線程也分配了線程ID。對於task_struct數據結構的成員來說，pid是線程ID，tgid是線程的進程ID（該進程也叫線程組長）。
經過上面的分析，就不難理解sys_getpid系統調用獲取的是tgid；sys_gettid系統調用獲取的是pid。總之，POSIX的進程ID就是tgid成員；POSIX的線程ID就是pid成員。
linux中有兩個特殊的進程：進程0（swapper或者idle）和進程1（init）。系統在初始化時靜態建立進程0，並分配了進程ID爲0；進程1是進程0創建的第一個進程，所以進程1的進程ID爲1。由於這兩個進程在系統中的地位比較重要，因此通常稱這兩個進程爲進程0、進程1；隱含的表達了進程0就是swapper、進程1就是init。
四、進程名稱
comm成員記錄了當前進程可執行文件的名稱，最大長度爲16個字節。
五、進程狀態
調度程序根據進程狀態決定是否調度進程，linux是喲概念bitmap（位圖）表示進程狀態，一共有11種狀態；這些狀態可以分爲三類：運行態、睡眠態、退出態。只有運行態的進程才能被調度程序調度；進程等待某個資源時處於睡眠態（可中斷態、不可中斷態）；進程退出時處於退出態（殭屍態、死亡態）。其他的進程狀態還包括停止態、跟蹤態等，這些狀態處於特定的使用場景中，就不介紹了。
運行態：進程在cpu上運行或者等待運行。
睡眠態：睡眠態分爲可中斷態和不可中斷態。進程因爲等待某個資源而處於睡眠狀態。這兩者的區別是不可中斷態忽略發送過來的喚醒信號量，因爲這個狀態的進程獲取了重要的系統資源，因此不能被輕易打斷，該狀態較少使用。
退出態：退出態分爲殭屍態和死亡態。進程完成使命退出後處於殭屍態，此時進程的資源已經被釋放，僅僅保留了task_struct結構（父進程可能使用）；而死亡態不僅釋放了所有資源，並且連task_struct結構也釋放了。
此外，爲了便於記憶，系統給每個狀態分配了一個字母縮寫“RSDTtZXxKWP”，對應關係如下圖所示。
六、進程棧
linux系統爲每個用戶進程分配了兩個棧：用戶棧和內核棧。當一個進程在用戶空間執行時，系統使用用戶棧；當在內核空間執行時，系統使用內核棧。由於內核棧地址空間的限制，內核棧不會分配很大的空間。此外，內核進程只有內核棧，沒有用戶棧。
當進程從用戶空間陷入到內核空間時，首先，操作系統在內核棧中記錄用戶棧的當前位置，然後將棧寄存器指向內核棧；內核空間的程序執行完畢後，操作系統根據內核棧中記錄的用戶棧位置，重新將棧寄存器指向用戶棧。由於每次從內核空間中返回時，內核棧肯定已經使用完畢，所以從用戶棧切換到內核棧時，只需要簡單的將棧寄存器指向內核棧頂即可，不需要做什麼特殊處理。
七、進程運行時間
因爲進程是分時運行的，所以有必要記錄每個進程實際佔用的cpu時間；進程描述符的utime、stime成員記錄微秒、秒級的cpu時間。
start_time成員記錄了創建進程的時間；real_start_time成員記錄了啓動進程的時間。
八、文件資源
進程描述符中還記錄了和文件相關的信息：文件系統、打開的文件、命名空間等。
struct fs_struct *fs成員記錄了根目錄和當前目錄信息；struct files_struct *files成員記錄了進程當前打開的文件；struct nsproxy *nsproxy成員記錄了文件系統的命名空間。
九、進程關係
進程之間存在父子、線程組、進程組等重要的組織關係。
task_struct的real_parent指向父進程、parent指向“養父進程“。父進程是實際創建子進程的進程；而“養父進程”是負責處理子進程消亡的進程，在大多數情況下，父進程就是“養父進程“。但是也有例外，例如，當父進程比子進程提前消亡時，父進程會幫子進程重新尋找一個“養父進程”，通常是進程1。children成員是父進程的子進程鏈表；sibling成員是子進程的兄弟進程鏈表。
task_struct的group_leader成員指向線程組長，thread_group成員是線程組長的線程鏈表。如果，當前線程組只有一個線程，那麼該線程的group_leader成員指向自己，並且thread_group爲空。
十、總結
本文介紹了進程描述符數據結構，重點描述了進程資源、調度、組織結構等方面的信息。進程資源信息包括文件系統、地址空間、打開的文件等；調度信息包括進程優先級、當前狀態、信號量等；組織結構信息包括進程父子關係、進程組等。
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