【Linux】进程描述符

linux进程管理(1)---进程描述符

进程描述符

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Linux使用进程描述符数据结构记录现场信息，然后给予进程描述符管理进程，包括进程的创建、调度、消亡等操作。

进程除了包括运行着的程序，还包括系统资源（当前CPU现场、调度信息、进程间关系等）。记录这些线程信息的数据结构就是进程描述符 task_struct(include/linux/sched.h中)
每个进程都有一个进程描述符，记录以下重要信息：进程标识符、进程当前状态、栈地址空间、内存地址空间、文件系统、打开的文件、信号量等。

获取方式：

在x86体系中，通过SP寄存器可以快速获取当前进程栈的位置；linux在栈的末端存放了一个特殊的数据结构thread_info，thread_info中存放了指向task_struct的指针。根据这个原理，首先当前进程通过SP寄存器获取栈的位置，然后根据栈大小（一般为1-2页）获取thread_info的地址，最后通过thread_info获取当前进程的地址。
linux不仅有进程ID，而且给每个线程也分配了线程ID。对于task_struct数据结构的成员来说，pid是线程ID，tgid是线程的进程ID（该进程也叫线程组长）。

进程状态：

调度程序根据进程状态决定是否调度进程，linux是用概念bitmap（位图）表示进程状态，一共有11种状态；这些状态可以分为三类：运行态、睡眠态、退出态。只有运行态的进程才能被调度程序调度；进程等待某个资源时处于睡眠态（可中断态、不可中断态）；进程退出时处于退出态（僵尸态、死亡态）。其他的进程状态还包括停止态、跟踪态等，这些状态处于特定的使用场景中，就不介绍了。

• 运行态：进程在cpu上运行或者等待运行。
• 睡眠态：睡眠态分为可中断态和不可中断态。进程因为等待某个资源而处于睡眠状态。这两者的区别是不可中断态忽略发送过来的唤醒信号量，因为这个状态的进程获取了重要的系统资源，因此不能被轻易打断，该状态较少使用。
• 退出态：退出态分为僵尸态和死亡态。进程完成使命退出后处于僵尸态，此时进程的资源已经被释放，仅仅保留了task_struct结构（父进程可能使用）；而死亡态不仅释放了所有资源，并且连task_struct结构也释放了。

系统给每个状态分配了一个字母缩写“RSDTtZXxKWP”，对应关系如下图所示。

#define TASK_RUNNING        0
#define TASK_INTERRUPTIBLE    1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2
#define __TASK_STOPPED        4
#define __TASK_TRACED        8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE        16
#define EXIT_DEAD        32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD        64
#define TASK_WAKEKILL        128
#define TASK_WAKING        256
#define TASK_PARKED        512
#define TASK_STATE_MAX        1024

#define TASK_STATE_TO_CHAR_STR "RSDTtZXxKWP"

进程栈

linux系统为每个用户进程分配了两个栈：用户栈和内核栈。当一个进程在用户空间执行时，系统使用用户栈；当在内核空间执行时，系统使用内核栈。由于内核栈地址空间的限制，内核栈不会分配很大的空间。此外，内核进程只有内核栈，没有用户栈。
当进程从用户空间陷入到内核空间时，首先，操作系统在内核栈中记录用户栈的当前位置，然后将栈寄存器指向内核栈；内核空间的程序执行完毕后，操作系统根据内核栈中记录的用户栈位置，重新将栈寄存器指向用户栈。由于每次从内核空间中返回时，内核栈肯定已经使用完毕，所以从用户栈切换到内核栈时，只需要简单的将栈寄存器指向内核栈顶即可。

linux进程管理(1)---进程描述符 https://blog.youkuaiyun.com/luomoweilan/article/details/21196093

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为了进程管理，内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。比如内核需要知道进程的优先级，进程当前的状态，在挂起和恢复进程的时候，需要对进程进行相应的操作。进程描述符还描述了进程使用的地址空间，访问的文件等等，这些都是进程描述符的作用。包括了很多进程属性的字段，还有一些字段包括了指向其他数据结构的指针，如下图：

• TASK_RUNNING: 要么在CPU上执行，要么准备执行。
• TASK_INTERRUPTIBLE: 进程被挂起（睡眠），直到某个为真的条件触发，产生一个硬件中断，释放进程正等待的系统资源，或传递一个信号都可以唤醒进程。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE: 不可中断的等待状态，与把信号传递给睡眠进程不能改变它的状态1。
• TASK_STOPPED: 进程的执行被暂停，当收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU信号后，进入暂停状态。
• TASK_TRACED: 跟踪状态，进程的执行由debugger程序暂停。
• TASK_ZOMBIE: 进程执行被终止，但是父进程还没有发布wait4或waitpid系统调用返回有关死亡进程的信息。
• TASK_DEAD: 僵死撤销状态。

task_struct 结构体：

<include/linux/sched.h>

struct task_struct {
  // -1表示不可运行，0表示可运行，大于0表示停止
  volatile long state;
  void *stack;
  atomic_t usage;
  // 每进程标志，上下文定义
  unsigned int flags;
  unsigned int ptrace;

  // 大内核锁的深度
  int lock_depth;

#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
  int oncpu;
#endif
#endif
  // 优先级
  int prio, static_prio, normal_prio;
  unsigned int rt_priority;
  const struct sched_class *sched_class;
  struct sched_entity se;
  struct sched_rt_entity rt;

#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
  /* 同步的通知者 */
  struct hlist_head preempt_notifiers;
#endif