第七章 应用实例
上海市环境监视和检测系统是基于一个小型服务器的多任务系统，该系统是应用于环境的检查和监视的。对于所要检查和监视的样本，从随时采样开始，输入样本的采集过程和方式，然后样本在各个部门之间流动，各个部门对其进行详细监测，包括样本的酸缄度，各种微量化学成份的含量和其它的相关检测，然后在各个部门内部对于该指标做出分析和评估，然后把所有的数据和评估结果送到更高一级的部门，在这一更高一级的部门中，对于来自下面不同的部门的收据和结果做出总结报告。
其中在检测的过程中，数据庞大，包括各个部门不同的监测要求及其相应的数据，而且在各个部门中是同时进行多个样本的检测的，部门多，样本多，所以数据复杂而且庞大。同时对于所有的数据和相关资料都保存在该服务器上。
在检测中进年来由于随着对检测范围的扩大和任务的增加，要求有更多的任务同时进行，而不能等待别的任务完成后才可以进行，对旧版本升级后，开始考虑能是否能有更多的任务能有更多的任务同时进行，也就是是否可以有更多的进程可以使用。该系统是基于 Linux2.2.0内核的，我们可以推广到 Linux 2.2.x（i386体系结构），以下我们对于这一问题的分析和解决。这个问题也可以称为：Linux
2.2.x（i386体系结构）最大进程数限制的突破;
7.1 引起进程受限的起因
通过以上的讨论，我们可以看出Linux 2.2.0最大进程数限制产生的原因：
Linux 2.2.0中定义的宏NR_TASKS,在编译时静态决定了X86系统运行时的进程数上限。该数在系统初始化时静态决定了gdt表的总长度。但因为i386体系结构的特点，全局描述符表寄存器gdtr长度域为16位，每项描述符为8字节，故可容纳的
最大描述符数 = 1《（16-3）=1《13 = 8192 个。
内核在初始化时对gdt表的前12
项已有特殊安排，
空描述符（第0项），保留描述符（第1，6，7项）
内核代码、数据段（第2，3项） 及用户代码、数据段（第4，5项）
APM BIOS 使用段（第8--11项）
同时由于每个进程需要两项分别存放tss和ldt描述符，因此理论上 可用于进程的数目为 = （8192-12）/2=4090个。
7.2对于这一问题的解决方案
可见，突破最大进程数的限制，必须解决没有足够的gdt表项的问题。Gdt的大小是硬件限制的，所以只能考虑动态地设置进程的tss和ldt描述符，取消为进程预先分配gdt空间的做法。
事实上，根据进程数据结构PCB的分析可知，内核中可以动态地寻址到每个进程的tss 和ldt （如果有的话）段，因此在任务切换时通过PCB指针即可引用上述两段的寻址，分别为：
进程tss段：proc->tss
进程ldt段：proc->mm->segments
所以，静态地分配并保留这两个段的描述符是完全没有必要的。我们可以在任何需要的时候建立起它们，例如在切换时将该两段的段描述符动态设置到gdt表中即可。
这种方法的关键在于在gdt中为每个cpu保留两个描述符，分别存放该cpu上正在运行的进程的tss、ldt描述符。这两个描述符则是在进程切换时由操作系统根据进程PCB中的内容建立起来的。
7.3 方案具体的实现
根据以上的分析，要突破上述4090进程数的限制,需要动态设置进程的TSS及LDT段描述符。具体体现在两方面：
1）系统初始化：
a)在head.S中将静态设置的GDT表长度置为最大值8192。
b)在desc.h的GDT表定义中，在进程可用的第一项位置插入NR_CPUS*2项，作为每颗CPU的专用项。用于超出GDT表之外的进程运行使用。仍留下4090-NR_CPUS=4090-32=4058项用于原有算法使用。
CPU0:SHARED_TSS_ENTRY = 12
SHARED_LDT_ENTRY = 13
CPU1:SHARED_TSS_ENTRY+1 = 14
SHARED_LDT_ENTRY+1 = 15
...
CPUn:SHARED_TSS_ENTRY+n = SHARED_TSS_ENTRY + n
SHARED_LDT_ENTRY+n
= SHARED_LDT_ENTRY + n
(n<NR_CPUS)
c)改变宏NR_TASKS为变量 int NR_TASKS,并在初始化函数start_kernel()中合适位置动态分配进程指针数组空间：
task
= kmalloc(sizeof(void*)*NR_TASKS,GFP_ATOMIC);
这样，符号名task在内核中的使用方法与静态分配时一样。另外变量NR_TASKS可在lilo启动时以参数形式传入内核。
d)修改 parse_options(),使内核能够识别lilo传来的表示最大进程数的变量nrtasks，以用于task数组空间的分配。
2）任务切换
a)fork时，PCB中的tss.ldt 和 tss.tr分别用于保存该进程的ldt和tss的选择符,以便在切换时装载 tr寄存器和ldtr寄存器.由于现在存在大于4090的进程，按照原有算法计算，这些进程的ldt将会超出16位的范围，所以这里我们使用了tss结构中保留未用的short
__ldth ,与short ldt合并使用变为长整数
(int) ldt,因此赋值指令变为:
*((unsigned long*)&(p->tss.ldt)) = (unsigned
long)_LDT(nr);
if(*((unsigned
long*)&(p->tss.ldt))<(unsigned
long)(8292<<3))
set_ldt_desc(nr,ldt,LDT_ENTRIES);// 此句为原有代码;
else{ //什么也不做,留在切换时作类似设置工作}
这种方法的一个好处是仅仅通过判断PCB中ldt的值，就可以知道该进程是否大于4090，这大大方便了下面的进程切换的实现。
b)切换时：我们已允许超出gdt表数目的进程数存在,即超出部分的进程无法在gdt表中预先分配,此时可以使用上述为每颗CPU预留的gdt入口,在gdt表中的寻址为：
SHARED_TSS_ENTRY+smp_processor_id();
这样,超出GDT表的进程段描述符的设置使用如下算法,而未超出部分的处理不变:
...
#define set_shared_tss_desc(addr,cpu)\par
_set_tssldt_desc(gdt_table+SHARED_TSS_ENTRY+2*cpu,(int)addr,235,0x89);
#define set_shared_ldt_desc(addr,size,cpu)\par
_set_tssldt_desc(gdt_table+SHARED_LDT_ENTRY+2*cpu,(int)addr,((size<<3)-1),0x82);
....
void
__switch_to(task_struct *prev,task_struct *next){
...
if(next->tss.tr <= 0x0000ffff)
{
由原来的代码处理...
}else
{
set_shared_tss_desc(&next->tss),smp_processor_id());
set_shared_ldt_desc(&next->mm->segments,LDT_ENTRIES,smp_processor_id());
}
//接下来用适当的值装载ldtr 和tr 寄存器。
...
}
综上所述，可以以尽量简单的改动来突破最大进程数的限制，并在lilo设置文件中写上特定参数，启动时自动传入内核，就可以实现在kernel v2.2.x下超过4090个的进程数了。参数的格式为：
append
= "nrtasks=40000"
7.4 方案总结
经过以上修改，使系统理论上的进程数上限数可设置到2的31次方.但实际使用中,每增加一个进程纯内核内存空间分配的代价为：
PCB及内核栈2页
+ 页目录1页 + 页表１页（至少） ＝ 4页（共16k）
因此，假设机器内存１G，进程内存管理开销以２０k计算，操作系统占据约２０M，则最大进程数为：
(１G-20M)/20k=(1073741824-20971520)/20480
= 51404 ~= 50000．
实际应用进程的开销不止2０k，若假设为5０k，则
１G机器实际最大进程数为＝50000 ＊（２／5） ＝ 20000（个）
需要说明的是，Linux 2.2.x原来的实现方法在进程切换时是比较快的。我们的方案则在进程数小于4090时与原来相近，超过4090个进程后会略微慢一点。
本方案是在小型机器上实现的，在微型计算机，处理的速度和效率都会降低，更多的时间将用于调度这是降低速度的主要原因，所以以前有极高的CPU处理速度和其它相应的硬件配合。
经过我们的改进该机器运行正常。