PROCESY

Dla każdego procesu jego deskryptor przechowywany jest wraz ze stosem trybu jądra tego procesu. Deskryptor i stos trzymane są w pojedynczym, dynamicznie alokowanym obszarze pamięci o wielkości 8 KB.

Deskryptor zaczyna się na początku tego obszaru pamięci, a stos na końcu i rośnie "w dół".

Zawartość tego obszaru pamięci jest zdefiniowana przez konstrukcję (z pliku sched.h):

union task_union {
struct task_struct task;
unsigned long stack[2048];
};

Wskaźnik stosu, określający położenie wierzchołka stosu, trzymany jest w rejestrze esp. W szczególności, kiedy pewien proces wykonuje się w trybie jądra, rejestr esp wskazuje na wierzchołek stosu trybu jądra tego właśnie procesu. Skoro deskryptor procesu i stos trybu jądra tego procesu są trzymane w 8 KB ( = 2¹³ bitowym) obszarze pamięci, a deskryptor zaczyna się na początku tego obszaru, więc wystarczy zamaskować 13 najmniej znaczących bitów w rejestrze esp, by dostać wskaźnik na deskryptor aktualnie wykonywanego procesu (o ile proces znajduje się w trybie jądra).

Realizuje to makro current, zawierające kilka tylko instrukcji asemblera (plik usr/src/linux/include/asm-i386/current.h).

Użycie:
Makro current zazwyczaj pojawia się w kodzie jądra jako przedrostek pól deskryptora procesu. Np. current -> pid zwraca pid aktualnie wykonującego się procesu.

Zalety:
Efektywność - wyznaczanie wskaźnika na deskryptor aktualnie wykonywanego procesu jest bardzo szybkie.
Nie trzeba przechowywać globalnej zmiennej current czy (w systemach wieloprocesorowych) całej tablicy current.

Wady:
Te 8 KB przechowywane jest na dwóch stronach pamięci, znajdujących się obok siebie, a pierwsza strona wyrównywana jest do wielokrotności 8 KB. Może to okazać się problemem, gdy jest niewiele dostępnej pamięci dynamicznej.

Gdy jakiś proces jest usuwany, a za chwilę tworzony jest inny, potrzeba zwolnić, a za moment zaalokować 8 KB pamięci na task_union tych procesów. Aby unikać częstego wywoływania alokatora pamięci jądra, używana jest mała pamięć podręczna (ciekawy mechanizm). Pamięć podręczna składa się z EXTRA_TASK_STRUCT obszarów pamięci (makro to ma zazwyczaj wartość 16).

Tablica task_stract_stack zawiera wskaźniki do wolnych obszarów task_union (czy - co na jedno wychodzi - deskryptorów procesów), znajdujących się w pamięci podręcznej.

Do obsługi tej pamięci podręcznej służą dwie funkcje (makra z pliku usr/src/linux/arch/i386/kernel/process.c). Nazwa task_stract_stack pochodzi stąd, że funkcje te wstawiają i pobierają wolne obszary z tej tablicy, jak ze stosu:

free_task_struct()
Jeśli pamięć podręczna nie jest pełna, to funkcja ta wstawia zwalniany 8 KB obszar pamięci task_union do pamięci podręcznej (czyli wstawia do tablicy task_stack_struct wskaźnik do tego obszaru). Jeśli pamięć podręczna jest pełna, to funkcja ta po prostu zwalnia obszar na task_union.

alloc_task_struct()
Funkcja ta alokuje 8 KB obszary pamięci na task_union , chyba że może je pobrać z pamięci podręcznej, bez wywoływania alokatora. A może je pobrać z pamięci podręcznej, gdy pamięć (tablica task_struct_stack) jest przynajmniej w połowie pełna lub nie można znaleźć dwóch kolejnych wolnych stron pamięci na task_union.

Czasem jądro potrzebuje pobrać wskaźnik na deskryptor procesu mając tylko numer PID procesu. (Jest to potrzebne np. w funkcji systemowej kill() ). Przeszukiwanie listy wszystkich procesów i sprawdzanie pól pid w deskryptorach procesów byłoby nieefektywne.

Zastosowano rozwiązanie: tablica haszująca pidhash. Zawiera ona PIDHASH_SZ elementów, będących wskaźnikami do deskryptorów procesów. (Makro PIDHASH_SZ ma zazwyczaj wartość 1024).

Funkcja haszująca (w praktyce makro) pid_hashfn() tłumaczy podany PID na indeks tablicy pidhash :
#define pid_hashfn (x) \
      ((((x) >> 8) ^ (x)) & (PIDHASH_SZ - 1))

Każda pozycja tablicy jest dwukierunkową listą deskryptorów procesów, dla których funkcja haszująca zwraca tę samą wartość. Listy te są zrealizowane za pomocą pól pidhash_next i pidhash_pprev w deskryptorze procesu.

Do obsługi tablicy haszującej służą funkcje:
hash_pid(struct task_struct *p)
      Wstawia do tablicy pidhash proces o deskryptorze *p.
unhash_pid(struct task_struct *p)
      Usuwa z tablicy pidhash proces o deskryptorze *p.
struct task_struct *find_task_by_pid(int pid)
      Zwraca wskaźnik na deskryptor procesu o numerze PID równym pid.

Pole state w deskryptorze procesu opisuje stan procesu w danym momencie. Pole to może przyjmować jedną z następujących wartości (makra te są zdefiniowane w pliku sched.h) :

TASK_RUNNING Proces jest aktualnie wykonywany albo czeka na wykonanie. Innymi słowy jest w kolejce procesów gotowych do wykonania.
TASK_INTERRUPTIBLE Proces jest uśpiony w pewnej kolejce oczekiwania i czeka na zajście jakiegoś zdarzenia, np. na zwolnienie określonego zasobu. Proces może zostać obudzony (tzn. przywrócony do stanu TASK_RUNNING) np. przez przerwania sprzętowe lub nadejście sygnału.
TASK_UNINTERRUPTIBLE Jak stan TAK_INTERRUPTIBLE, z tym że proces nie reaguje na sygnały. Ten stan jest używany np. wtedy, gdy proces oczekuje na zajście jakiegoś warunku związanego ze sprzętem i nie powinien zostać przerwany przez sygnał.
TASK_ZOMBIE Proces zakończył się, ale jego deskryptor (task_struct) nie został usunięty. Deskryptor zostanie usunięty dopiero po wywołaniu funkcji systemowej z rodziny wait() przez rodzica procesu (lub przez proces init, który "adoptuje" proces, jeśli jego rodzic się zakończył jeszcze przed zakończeniem danego procesu).
TASK_STOPPED Proces został wstrzymany. Proces może zostać wstrzymany po otrzymaniu sygnału SIGSTOP, SIGTSTP, SIGTTIN, SIGTTOU . Ponadto kiedy proces jest monitorowany przez inny proces (np. debugger, który wywołuje funkcję systemową ptrace() ), to może zostać przerwany przez dowolny sygnał.

Wywołanie którejś z poniższych funkcji powoduje zaśnięcie procesu w danej kolejce procesów oczekujących na zdarzenie (funkcje te są zdefiniowane w pliku usr/scr/linux/kernel/sched.c) :

void sleep_on(wait_queue_head_t *q)
void interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
long sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout)
long interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout)
Dwie ostatnie funkcje pozwalają na określenie czasu, po upływie którego proces zostanie zbudzony przez jądro, tzn. po prosu wstawiony do kolejki procesów gotowych i przywrócony do stanu TASK_RUN.

Algorytm tych funkcji:
1:   zmiana stanu bieżącego procesu na
        TASK_UNINTERRUPTIBLE
        {lub TASK_INTERRUPTIBLE dla interruptible_ }
2:   zapamiętanie poziomu pracy procesora i zablokowanie przerwań, zablokowanie kolejki q do pisania
3:   wstawienie procesu do kolejki q
4:   odblokowanie kolejki q
5:   wywołanie schedule()
       {lub schedule_timeout() dla _timeout}
       (tu funkcja schedule() usuwa proces z kolejki procesów gotowych)
Po obudzeniu procesu:
6:   zablokowanie kolejki q do pisania
7:   usunięcie procesu z kolejki q
8:   odblokowanie kolejki q, przywrócenie początkowego poziomu pracy procesora

wake_up_proces

Poniższa funkcja budzi proces p ze stanu TASK_INTERRUPTIBLE lub UNINTERRUPTIBLE:

int wake_up_proces (struct task_struct *p)

Algorytm tej funkcji:
1:   zapamiętanie poziomu pracy procesora i zablokowanie przerwań
2:   zmiana stanu procesu p na TASK_RUNNING
3:   jeśli procesu p nie ma w kolejce procesów gotowych, to:
        dodanie procesu p do kolejki procesów gotowych,
        i jeśli obecnie wykonywanym procesem jest idle
        to wywołanie funkcji ustawiającej need_resched
4:   przywrócenie początkowego poziomu pracy procesora

Uwaga: funkcja wake_up_proces nie usuwa procesu z kolejki procesów oczekujących. Gdy proces dostanie procesor zrobi to funkcja sleep_on, w której proces zasnął.