Linux mengatur semua proses di dalam sistem melalui pemeriksaan dan perubahan terhadap setiap struktur data task_struct yang dimiliki setiap proses. Sebuah daftar pointer ke semua struktur data task_struct disimpan dalam task vector. Jumlah maksimum proses dalam sistem dibatasi oleh ukuran dari task vector. Linux umumnya memiliki task vector dengan ukuran 512 entries. Saat proses dibuat, task_struct baru dialokasikan dari memori sistem dan ditambahkan ke task vector. Linux juga mendukung proses secara real time. Proses semacam ini harus bereaksi sangat cepat terhadap event eksternal dan diperlakukan berbeda dari proses biasa lainnya oleh penjadwal.
Proses akan berakhir ketika ia memanggil exit(). Kernel akan menentukan waktu pelepasan sumber daya yang dimiliki oleh proses yang telah selesai tersebut. Fungsi do_exit() akan dipanggil saat terminasi yang kemudian memanggil __exit_mm/files/fs/sighand() yang akan membebaskan sumber daya. Fungsi exit_notify() akan memperbarui hubungan antara proses induk dan proses anak, semua proses anak yang induknya berakhir akan menjadi anak dari proses init. Terakhir akan dipanggil scheduler untuk menjalankan proses baru.
Guna keperluan manajemen proses, kernel memelihara informasi tentang setiap proses di sebuah deskriptor proses dengan tipe task_struct. Setiap deskriptor proses mengandung informasi antara lain status proses, ruang alamat, daftar berkas yang dibuka, prioritas proses, dan sebagainya. Berikut gambaran isinya:
Contoh 7-1. Isi Deskriptor Proses
struct task_struct{
volatile long state;
/*-1 unrunnable,
0 runnable,
>0 stopped*/
unsigned long flags;
/* 1 untuk setiap flag proses */
mm_segment_t_addr_limit;
/* ruang alamat untuk thread */
struct exec_domain *exec_domain;
long need_resched;
long counter;
long priority;
/* SMP and runqueue state */
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct task_struct *next_run, *prev_run;
...
/* task state */
/* limits */
/* file system info */
/* ipc stuff */
/* tss for this task */
/* filesystem information */
/* open file information */
/* memory management info */
/* signal handlers */
...
};
|
Setiap proses di Linux memiliki status. Status proses merupakan array dari flag yang mutually exclusive. Setiap proses memiliki tepat satu keadaan (status) pada suatu waktu. Status tersebut adalah:
TASK_RUNNING
Pada status ini, proses sedang atau pun siap dieksekusi oleh CPU.
TASK_INTERRUPTIBLE
Pada status ini, proses sedang menunggu sebuah kondisi. Interupsi, sinyal, atau pun pelepasan sumber daya akan membangunkan proses.
TASK_UNINTERRUPTIBLE
Pada status ini, proses sedang tidur dan tidak dapat dibangunkan oleh suatu sinyal.
TASK_STOPPED
Pada status ini proses sedang dihentikan, misalnya oleh sebuah debugger.
TASK_ZOMBIE
Pada status ini proses telah berhenti, namun masih memiliki struktur data task_struct di task vector dan masih memegang sumber daya yang sudah tidak digunakan lagi.
Setiap proses atau pun eksekusi yang terjadwal secara independen memiliki deskriptor prosesnya sendiri. Alamat dari deskriptor proses digunakan untuk mengindentifikasi proses. Selain itu, nomor ID proses (PIDs) juga digunakan untuk keperluan tersebut. PIDs adalah 32-bit bilangan yang mengidentifikasikan setiap proses dengan unik. Linux membatasi PIDs berkisar 0-32767 untuk menjamin kompatibilitas dengan sistem UNIX tradisional.
Karena proses merupakan sesuatu yang dinamis, maka deskriptor proses disimpan dalam memori yang dinamis pula. Untuk itu dialokasikan juga memori sebesar 8KB untuk setiap proses untuk menyimpan proses deskriptornya dan stack proses dari modus kernel. Keuntungan dari dal ini adalah pointer dari deskriptor proses dari proses yang sedang berjalan (running) dapat diakses dengan cepat menggunakan stack pointer. Selain itu, 8KB (EXTRA_TASK_STRUCT) dari memori akan di-cache untuk mem-bypass pengalokasi memori kernel ketika sebuah proses dihapus dan sebuah proses baru dibuat. Kedua perintah free_task_struct() dan alloc_task_struct() akan digunakan untuk melepaskan atau mengalokasikan memori seukuran 8KB sebagai cache.
Deskriptor proses juga membangun sebuah daftar proses dari semua proses yang ada di sistem. Daftar proses tersebut merupakan sebuah doubly-linked list yang dibangun oleh bagian next_task dan prev_task dari deskriptor proses. Deskriptor init_task(mis:swapper) berada di awal daftar tersebut dengan prev_task-nya menunjuk ke deskriptor proses yang paling akhir masuk dalam daftar. Sedangkan makro for_each_task() digunakan untuk memindai seluruh daftar.
Proses yang dijadwalkan untuk dieksekusi dari doubly-linked list dari proses dengan status TASK_RUNNING disebut runqueue. Bagian prev_run dan next_run dari deskriptor proses digunakan untuk membangun runqueue, dengan init_task mengawali daftar tersebut. Sedangkan untuk memanipulasi daftar di deskriptor proses tersebut, digunakan fungsi-fungsi: add_to_runqueue(), del_from_runqueue(), move_first_runqueue(), move_last_runqueue(). Makro NR_RUNNING digunakan untuk menyimpan jumlah proses yang dapat dijalankan, sedangkan fungsi wake_up_process membuat sebuah proses menjadi dapat dijalankan.
Untuk menjamin akurasinya, array task akan diperbarui setiap kali ada proses baru dibuat atau pun dihapus. Sebuah daftar terpisah akan melacak elemen bebas dalam array task itu. Ketika suatu proses dihapus, entrinya ditambahkan di bagian awal dari daftar tersebut.
Proses dengan status task_interruptible dibagi ke dalam kelas-kelas yang terkait dengan suatu event tertentu. Event yang dimaksud misalnya: waktu kadaluarsa, ketersediaan sumber daya. Untuk setiap event atau pun kelas terdapat antrian tunggu yang terpisah. Proses akan diberi sinyal bangun ketika event yang ditunggunya terjadi. Berikut contoh dari antrian tunggu tersebut:
Contoh 7-2. Antrian Tunggu
void sleep_on(struct wait_queue **wqptr) {
struct wait_queue wait;
current_state=TASK_UNINTERRUPTIBLE;
wait.task=current;
add_wait_queue(wqptr, &wait);
schedule();
remove_wait_queue(wqptr, &wait);
}
|
Fungsi sleep_on() akan memasukkan suatu proses ke dalam antrian tunggu yang diinginkan dan memulai penjadwal. Ketika proses itu mendapat sinyal untuk bangun, maka proses tersebut akan dihapus dari antrian tunggu.
Bagian lain konteks eksekusi proses adalah konteks perangkat keras, misalnya: isi register. Konteks dari perangkat keras akan disimpan oleh task state segment dan stack modus kernel. Secara khusus tss akan menyimpan konteks yang tidak secara otomatis disimpan oleh perangkat keras tersebut. Perpindahan antar proses melibatkan penyimpanan konteks dari proses yang sebelumnya dan proses berikutnya. Hal ini harus dapat dilakukan dengan cepat untuk mencegah terbuangnya waktu CPU. Versi baru dari Linux mengganti perpindahan konteks perangkat keras ini menggunakan piranti lunak yang mengimplementasikan sederetan instruksi mov untuk menjamin validasi data yang disimpan serta potensi untuk melakukan optimasi.
Untuk mengubah konteks proses digunakan makro switch_to(). Makro tersebut akan mengganti proses dari proses yang ditunjuk oleh prev_task menjadi next_task. Makro switch_to() dijalankan oleh schedule() dan merupakan salah satu rutin kernel yang sangat tergantung pada perangkat keras (hardware-dependent). Lebih jelas dapat dilihat pada kernel/sched.c dan include/asm-*/system.h.
Linux menggunakan representasi yang sama untuk proses dan thread. Secara sederhana thread dapat dikatakan sebuah proses baru yang berbagi alamat yang sama dengan induknya. Perbedaannnya terletak pada saat pembuatannya. Thread baru dibuat dengan system call clone yang membuat proses baru dengan identitas sendiri, namun diizinkan untuk berbagi struktur data dengan induknya.
Secara tradisional, sumber daya yang dimiliki oleh proses induk akan diduplikasi ketika membuat proses anak. Penyalinan ruang alamat ini berjalan lambat, sehingga untuk mengatasinya, salinan hanya dibuat ketika salah satu dari mereka hendak menulis di alamat tersebut. Selain itu, ketika mereka akan berbagi alamat tersebut ketika mereka hanya membaca. Inilah proses ringan yang dikenal juga dengan thread.
Thread dibuat dengan __clone(). __clone() merupakan rutin dari library system call clone(). __clone memiliki 4 buah argumen yaitu:
fn
fungsi yang akan dieksekusi oleh thread baru
arg
pointer ke data yang dibawa oleh fn
flags
sinyal yang dikirim ke induk ketika anak berakhir dan pembagian sumber daya antara anak dan induk.
child_stack
pointer stack untuk proses anak.
clone() mengambil argumen flags dan child_stack yang dimiliki oleh __clone kemudian menentukan id dari proses anak yang akan mengeksekusi fn dengan argumen arg.
Pembuatan anak proses dapat dilakukan dengan fungsi fork() dan vfork(). Implementasi fork() sama seperti system call clone() dengan sighandler SIGCHLD di-set, semua bendera clone di-clear yang berarti tidak ada sharing dan child_stack dibuat 0 yang berarti kernel akan membuat stack untuk anak saat hendak menulis. Sedangkan vfork() sama seperti fork() dengan tambahan bendera CLONE_VM dan CLONE_VFORK di-set. Dengan vfork(), induk dan anak akan berbagi alamat, dan induk akan di-block hingga anak selesai.
Untuk memulai pembuatan proses baru, clone() akan memanggil fungsi do_fork(). Hal yang dilakukan oleh do_fork() antara lain:
memanggil alloc_task_struct() yang akan menyediakan tempat di memori dengan ukuran 8KB untuk deskriptor proses dan stack modus kernel.
memeriksa ketersediaan sumber daya untuk membuat proses baru.
find_empty_procees() memanggil get_free_taskslot() untuk mencari sebuah slot di array task untuk pointer ke deskriptor proses yang baru.
memanggil copy_files/fm/sighand/mm() untuk menyalin sumber daya untuk anak, berdasarkan nilai flags yang ditentukan clone().
copy_thread() akan menginisialisasi stack kernel dari proses anak.
mendapatkan PID baru untuk anak yang akan diberikan kembali ke induknya ketika do_fork() selesai.
Beberapa proses sistem hanya berjalan dalam modus kernel di belakang layar. Untuk proses semacam ini dapat digunakan thread kernel. Thread kernel hanya akan mengeksekusi fungsi kernel, yaitu fungsi yang biasanya dipanggil oleh proses normal melalui system calls. Thread kernel juga hanya dieksekusi dalam modus kernel, berbeda dengan proses biasa. Alamat linier yang digunakan oleh thread kernel lebih besar dari PAGE_OFFSET proses normal yang dapat berukuran hingga 4GB. Thread kernel dibuat sebagai berikut: int kernel_thread(int (*fn) (void *), void *arg, unsigned long flags); flags=CLONE_SIGHAND, CLONE_FILES, etc