Модель процесса

Модель процесса — это способ, которым ядро Linux представляет, изолирует и управляет выполнением программ.

Процесс в Linux — это не просто запущенная программа, а совокупность:

• исполняемого кода
• контекста выполнения
• выделенных ресурсов
• метаданных, которыми оперирует ядро

Основные понятия

Дескриптор процесса (task_struct)
Основная структура ядра, описывающая процесс. Содержит:

• PID (идентификатор процесса)
• состояние (running, sleeping и т.д.)
• параметры планирования (приоритет, policy)
• ссылки на память (mm_struct)
• файловые дескрипторы (files_struct)
• информацию о сигналах

Фактически, task_struct — это точка входа ядра ко всем аспектам процесса.

Контекст выполнения (execution context)
Набор данных, необходимых для продолжения выполнения:

• регистры CPU
• указатель стека
• счётчик команд
  Сохраняется и восстанавливается при переключении задач (context switch).

Виртуальное адресное пространство
Каждый процесс изолирован и работает в собственной памяти:

• text (код)
• data / bss
• heap
• stack
  Изоляция обеспечивается MMU и таблицами страниц.

Файловые дескрипторы (file descriptors)
Унифицированный интерфейс доступа к ресурсам:

• файлы
• сокеты
• пайпы
  Стандартные:
• 0 — stdin
• 1 — stdout
• 2 — stderr

Состояния процесса

• Running — выполняется или готов к выполнению
• Interruptible sleep — ожидает события (можно прервать сигналом)
• Uninterruptible sleep — ожидает (обычно I/O), не прерывается
• Stopped — остановлен (например, сигналом)
• Zombie — завершён, но ещё не обработан родителем

Состояние отражает, участвует ли процесс в планировании.

Иерархия процессов Процессы образуют дерево:

• у каждого есть родитель (PPID)
• возможны потомки
  Корневой процесс — init/systemd.

Завершённые процессы остаются в состоянии zombie, пока родитель не считает их статус (wait()).

Создание процессов Классическая модель:

• fork() — создаёт копию процесса
• exec() — заменяет адресное пространство новой программой

Особенности:

• используется copy-on-write (память не копируется сразу)
• fork → exec — стандартный паттерн запуска программ

Потоки (threads)
В Linux нет жёсткого разделения на процессы и потоки.

Потоки реализованы через clone():

• разделяют память
• разделяют файловые дескрипторы
• имеют общий PID namespace (в рамках thread group)

С точки зрения ядра — это те же task_struct, но с разными флагами.

Планирование Процесс — это планируемая единица CPU. Основное:

• используется CFS (Completely Fair Scheduler)
• учитываются приоритеты (nice)
• каждому процессу выделяется «виртуальное время»

Планировщик работает с task’ами, а не абстрактными «процессами».

Сигналы (signals)
Механизм асинхронного взаимодействия:

• уведомление процесса о событиях
• управление (SIGTERM, SIGKILL, SIGSTOP)

Обрабатываются либо пользовательским кодом, либо по умолчанию ядром.

Изоляция и ограничения Дополнительные механизмы:

• namespaces — изоляция (PID, mount, network и др.)
• cgroups — контроль ресурсов (CPU, память, I/O)

Используются, например, в Docker.

Практический смысл

• Процесс — базовая единица изоляции: память, дескрипторы, права.
• Потоки — способ разделения ресурсов внутри процесса.
• task_struct — ключ к пониманию того, как ядро «видит» выполнение.
• fork/exec — фундаментальная модель запуска программ в Unix-системах.
• Анализ процессов обычно ведётся через ps, top, htop, /proc.