The Linux Programming Interface¶

System call, portability
Universal File I/O
Process ID, Memory layout
- text, initialized, bss, heap, stack
- page

History of UNIX. Fundamental: kernel, shell, user and groups, directory hierarchy, file I/O, programs

跳过的部分：
- 6.8 Nonlocal Goto
- 7 Memory Allocation
- 8 Users and Groups

进程¶

每个进程都有 PID（Process ID）和 PPID（Parent PID），形成树状结构。所有进程的祖先是 init 进程（PID 为 1）。
```
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);
```
- 孤儿（orphan）进程会自动被 init 进程收养（adpot）。
- init 的 PPID 为 1，即自身。
- 环境变量列表（Environment List）
- 新进程创建时，拷贝一份父进程的环境变量列表。
- 在 shell 中使用 export 可以将变量放入环境变量列表。bash 可以使用 NAME=value program 将变量添加到子进程的环境变量列表，而不影响父进程。
```
// 通过 `environ` 全局变量访问环境变量列表
extern char **environ;

char **ep;
for (ep = environ; *ep != NULL; ep++)
    puts(*ep);

// 通过函数访问环境变量
#include <stdlib.h>
char *getenv(const char *name);
int putenv(char *string);
int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
int unsetenv(const char *name);
int clearenv(void);
```
进程凭证（Process Credentials）：一系列相关的 UID 和 GID
- 实际用户/组（read UID/GID）：进程的归属
- 有效用户/组（effective UID/GID）
  - 和辅助组一起，决定进程的权限，这些权限包括访问文件、IPC 对象、发送信号等。
  - 为 0 时拥有超级用户权限，称为特权进程（privileged process）。某些系统调用只有特权进程才能调用。
  - 一般与实际用户相同，但可以通过系统调用和 SUID/SGID 机制改变。
- 保存用户/组（saved SUID/SGID）
  - 文件具有两个特殊的权限位：SUID 和 SGID。当执行这类文件时，进程的有效用户/组会被设置为文件的所有者/组。
  - 例子：mount, umount, passwd, su, wall。
- 文件系统用户/组（file system UID/GID）
- 辅助组（supplementary GIDs）
/proc/PID/ 下的一些文件：
- status

第三十五章：进程优先级与调度¶

进程优先级（Nice Value）¶

Linux 和大多数 UNIX 实现都采用 round-robin 调度策略：

每个进程都能在一小段时间内使用 CPU，称为 time slice。
这保证每个进程均匀地分到时间。因此，进程无法控制自己何时能占用 CPU，也无法控制占用时长。

进程的 nice value 间接影响内核调度策略：

nice value 从 -20 到 19，数值越小，优先级越高。
只有特权进程可以将自己的 nice value 设置为负值，其余进程只能降低自己的优先级。
fork() 和 exec() 继承 nice value。

使用库函数 getpriority() 和 setpriority() 获取和设置 nice value。

#include <sys/resource.h>
int getpriority(int which, id_t who);
int setpriority(int which, id_t who, int prio);

命令 nice、renice 用于设置 nice value。

实时进程调度概述¶

略。

实时进程调度 API¶

略。

CPU 亲和性¶

当进程经过调度重新运行时，它可能已经不在原来的 CPU 上了。缓存机制会导致性能下降：

为保证缓存一致性，多 CPU 架构只允许缓存保存在一个 CPU 上。因此旧 CPU 上的缓存要被清理，新 CPU 上的缓存要被填充。
置换缓存时先让缓存失效，如果缓存脏则需要写回内存，否则丢弃。
Cache line 是 CPU 缓存与内存之间的数据传输单位，大小在 32 到 128 字节之间。可以类比虚拟内存中的页。
如果多个进程要访问同一个资源，那么将它们调度到同一个 CPU 上可以减少缓存失效。

亲和性实际上是线程的属性，可以为每个线程单独设置。

Linux 实现两种 CPU 亲和性：

软亲和性：尽可能让进程在同一 CPU 上运行。

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t len, cpu_set_t *set);
int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t len, cpu_set_t *set);
void CPU_ZERO(cpu_set_t *set);
void CPU_SET(int cpu, cpu_set_t *set);
void CPU_CLR(int cpu, cpu_set_t *set);
int CPU_ISSET(int cpu, cpu_set_t *set);

这些系统调用同样会检查权限。
fork() 和 exec() 继承 CPU 亲和性。

硬亲和性：限制进程只能在指定的 CPU 上运行。
- 内核启动选项 isolcpus 可以将 CPU 从调度器中移除，只能使用本节描述的方法将进程调度到这些 CPU 上。
- 内核选项 cpusets 可以精细控制 CPU 和内存如何分配给进程。
Linux 内核文档：CPUSETS
- 前置知识：cgroups
cpusets 扩展了内核已有的 sched_setaffinity（控制 CPU）和 mbind、set_mempolicy（控制内存）机制：
- cpuset 按层次结构划分，root cpuset 包含所有 CPU 和内存节点。这一层次结构可以挂载到 /dev/cpuset，从用户空间管理。可以列出附加到某个 cpuset 的所有 task。
- 每个 task 都附加到一个 cpuset，可以通过 task 结构中的指针访问。对该 task 的 sched_setaffinity 和 mbind 等操作都受 cpuset 限制。
cpuset 实现为不影响性能的路径上的一些内核钩子，比如 fork()、exec()、exit() 和 page_alloc.c 等。

/proc/<pid>/status 文件中包含了 cpuset 信息 Cpus_allowed 和 Mems_allowed。