Linux进程描述符

linux进程描述符—task_struct结构 
为了管理进程，操作系统必须对每个进程所做的事情进行清楚地描述，为此，操作系统使用数据结构来代表处理不同的实体，这个数据结构就是通常所说的进程描述符或进程控制块，在linux系统中，这就是task_struct结构，在include\linux\sched.h文件中定义。每个进程都会被分配一个task_struct结构，它包含了这个进程的所有信息，在任何时候操作系统都能跟踪这个结构的信息，这个结构是linux内核汇总最重要的数据结构，下面我们会详细的介绍。这个结构的源代码及其注释如下，之后对其进行了分类解释。

//进程描述符task_struct

struct task_struct {

/* * offsets of these are hardcoded elsewhere - touch with care

*/ volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ //-1 不能运行 0 运行 >0 停止

unsigned long flags; /* per process flags, defined below *///进程标志,在下面定义

int sigpending; //进程上是否有待处理的信号

mm_segment_t addr_limit; /* thread address space:进程地址空间

0-0xBFFFFFFF for user-thead

0-0xFFFFFFFF for kernel-thread

*/


volatile long need_resched; //调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度


int lock_depth; /* Lock depth *///锁深度

/* * offset 32 begins here on 32-bit platforms. We keep

* all fields in a single cacheline that are needed for

* the goodness() loop in schedule().

*/ long counter; //进程可运行的时间量

long nice; //进程的基本时间片

unsigned long policy; //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR;分时进程:SCHED_OTHER;

struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息

int processor;

/* * cpus_runnable is ~0 if the process is not running on any

* CPU. It's (1 << cpu) if it's running on a CPU. This mask

* is updated under the runqueue lock.

* * To determine whether a process might run on a CPU, this

* mask is AND-ed with cpus_allowed.

* 若进程不在任何CPU上运行，cpus_runnable 的值是0，否则是1。这个值在运行 *队列被锁时更新；*/

unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;

/* * (only the 'next' pointer fits into the cacheline, but

* that's just fine.)

*/

struct list_head run_list; //指向运行队列的指针

unsigned long sleep_time; //进程的睡眠时间

struct task_struct *next_task, *prev_task; //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表,其根是init_task.

struct mm_struct *active_mm;

struct list_head local_pages; //指向本地页面

unsigned int allocation_order, nr_local_pages;

/* task state */

struct linux_binfmt *binfmt; //进程所运行的可执行文件的格式

int exit_code, exit_signal;

int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies *///父进程终止是向子进程发送的信号

/* ??? */

unsigned long personality; //Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序

int did_exec:1; //按POSIX要求设计的布尔量,区分进程正在执行从父进程中继承的代码,还是执行由execve装入的新程序代码

pid_t pid; //进程标识符,用来代表一个进程

pid_t pgrp; //进程组标识,表示进程所属的进程组

pid_t tty_old_pgrp; //进程控制终端所在的组标识

pid_t session; //进程的会话标识

pid_t tgid;

/* boolean value for session group leader */

int leader; //标志,表示进程是否为会话主管

/* 

* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,

* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with 

* p->p_pptr->pid)

*///指针指向（原始的）父进程，孩子进程，比自己年轻的兄弟进程，比自己年长的兄弟进程

//（p->father能被p->p_pptr->pid代替)

struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;

struct list_head thread_group; //线程链表

/* PID hash table linkage. *///进程散列表指针

struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表pidhash

struct task_struct **pidhash_pprev;

wait_queue_head_t wait_chldexit; /* for wait4() *///wait4()使用

struct completion *vfork_done; /* for vfork() */// vfork() 使用

unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值

//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies。系统根据it_real_value //设置定时器的第一个终止时间。在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据it_real_incr重置终止时间

//it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使

//it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间

//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使

//it_virt_value值减一，当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据it_virt_incr重置初值。

//Real定时器根据系统时间实时更新，不管进程是否在运行

//Virtual定时器只在进程运行时，根据进程在用户态消耗的时间更新

//Profile定时器在进程运行时，根据进程消耗的时（不管在用户态还是内核态）更新

unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;

unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;

struct timer_list real_timer;//指向实时定时器的指针

struct tms times; //记录进程消耗的时间，

unsigned long start_time;//进程创建的时间

long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间

/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */

//内存缺页和交换信息：

//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换设备读入的页面数）；

//nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。

//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。在父进程

//回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中

unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;

int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出 

/* process credentials *////进程认证信息

//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid //euid，egid为有效uid,gid

//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件系统的访问权限时使用他们。

//suid，sgid为备份uid,gid

uid_t uid,euid,suid,fsuid;

gid_t gid,egid,sgid,fsgid;

int ngroups; //记录进程在多少个用户组中

gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组

kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合

int keep_capabilities:1;

struct user_struct *user;

/* limits */

struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; //与进程相关的资源限制信息

unsigned short used_math; //是否使用FPU

char comm[16]; //进程正在运行的可执行文件名 

/* file system info *///文件系统信息

int link_count, total_link_count;

struct tty_struct *tty; /* NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空*/

unsigned int locks; /* How many file locks are being held */

/* ipc stuff *///进程间通信信息

struct sem_undo *semundo; //进程在信号灯上的所有undo操作

struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作

/* CPU-specific state of this task *///进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的

task_struct中

struct thread_struct thread;

/* filesystem information文件系统信息*/

struct fs_struct *fs;

/* open file information *///打开文件信息

struct files_struct *files;

/* signal handlers *///信号处理函数

spinlock_t sigmask_lock; /* Protects signal and blocked */

struct signal_struct *sig; //信号处理函数，

sigset_t blocked; //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位

struct sigpending pending; //进程上是否有待处理的信号

unsigned long sas_ss_sp;

size_t sas_ss_size;

int (*notifier)(void *priv);

void *notifier_data;

sigset_t *notifier_mask;

/* Thread group tracking */

u32 parent_exec_id;

u32 self_exec_id;

/* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty */

spinlock_t alloc_lock;

/* journalling filesystem info */

void *journal_info;

};

　

进程描述符（Process Descriptor），顾名思义，就是进程的描述，即用来描述进程的数据结构，可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识（PID）等，都被封装在了进程描述符这个数据结构中，该数据结构被定义为task_struct。

 
进程状态

　　Linux中的进程有7种状态，进程的task_struct结构的state字段指明了该进程的状态。
可运行状态（TASK_RUNNING）
可中断的等待（TASK_INTERRUPTIBLE）
不可中断的等待（TASK_UNINTERRUPTIBLE）
暂停状态（TASK_STOPPED）
跟踪状态（TASK_TRACED）：进程被调试器暂停或监视。
僵死状态（EXIT_ZOMBIE）：进程被终止，但父进程未调用wait类系统调用。
僵死撤销状态（TASK_DEAD）：父进程发起wait类系统调用，进程由系统删除。
 
标识一个进程

　　标识进程的两种方法：进程描述符地址、PID。PID的值保存在task_struct结构的pid字段中。
　　能够被独立调度的执行上下文都有自己的进程描述符，因此，轻量级进程（LWP）也有自己的task_struct结构。
　　Linux把不同的PID分配给每个进程和LWP（类似地，Windows中也是将PID和TID分配给每个进程和线程，且PID和TID不会相同，注，这里Linux中的LWP类似于Windows中的线程）。
　　Linux中还有线程组的概念，一个线程组的所有线程使用该线程组领头线程的PID，即该组中第一个LWP的PID。这个线程组的PID保存在task_struct结构的tpid字段中，线程组领头线程的tpid和pid的值相同。
 
得到进程描述符地址

　　Linux中，有2个数据结构被紧凑地放在了一起：进程的内核堆栈，thread_info（线程描述符）。一般地，这两个数据结构大小为8192个字节，放在两个连续的页面中，首地址为213的倍数。8KB对于内核堆栈和thread_info来说已经足够了（也可以在编译内核时设置，让这两个数据结构占用一个页面）。这个8KB的起始存放thread_info结构，内核堆栈从末端向下增长。在thread_info结构中，有一个指向进程描述符的指针task，利用该指针可以找到task_struct结构地址。在task_struct结构中，也有一个thread_info指针，指向thread_info结构。
　　因为thread_info和内核堆栈被紧凑地存放在一起，因此，可以从内核堆栈找到thread_info结构地址，继而通过thread_info结构的task指针找到task_struct结构指针。对于8KB而言，得到esp中的值，然后将该值与上0xffffe000，即将低13位清零，就得到了thread_info的地址，然后就可以得到task_struct的地址。
 
进程链表

　　Linux中将多个进程组织成循环双链表的结构，进程链表头是init_task描述符，即0进程或swapper进程的描述符。通过task_struct结构中tasks字段，将多个进程连接成链表的结构。
　　早期的Linux版本中，把所有TASK_RUNNING状态的进程放在一个运行队列中，这样，按照优先级排序该链表的开销比较大，早期的调度程序不得不遍历整个链表来选择最佳的进程。
　　Linux 2.6中的运行队列不同，系统中建立了多个可运行进程链表，即运行队列中包含多个可运行进程链表。每个可运行进程链表对应一个优先级，优先级取值为0~139。假定某个进程优先级为k，那么该进程的task_struct结构中run_list字段就将其连接到优先级为k的可运行进程链表中。另外，在多处理器系统中，每个CPU都有它自己的运行队列。这么多可运行进程链表由prio_array_t数据结构来管理。
 
进程间关系

　　进程之间有父子关系，如果一个进程创建多个子进程，那这些子进程之间就有了兄弟关系。Linux中，进程0和进程1由内核创建，进程1（init）是其他所有进程的祖先。
　　在进程描述符表task_struct结构中，以下字段表示进程间的关系：
real_parent：指向创建进程P的进程的描述符，如果P的父进程不存在，就指向进程1的描述符。
parent：指向P的当前父进程，往往与real_parent一致。当出现Q进程向P发出跟踪调试ptrace()系统调用时，该字段指向Q进程描述符。
children：一个链表头，链表中所有元素都是进程P创建的子进程。
sibling：指向兄弟进程链表的下一个元素或前一个元素的指针。
 
　　另外，进程间还存在其他关系：登录会话关系、进程组关系、线程组关系、跟踪调试关系。
　　在task_struct结构中，以下字段表示这些关系（假设当前进程为P）：
group_leader：P所在进程组的领头进程的描述符指针
signal->pgrp：P所在进程组的领头进程的PID
tgid：P所在线程组的领头进程的PID
signal->session：P所在登录会话领头进程的PID
ptrace_children：一个链表头，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程
ptrace_list：当P被调试跟踪时，指向调试跟踪进程的父进程链表的前一个和下一个元素
 
PID导出进程描述符

　　有些情况需要从PID得到响应的进程描述符指针，比如kill()系统调用。由于顺序扫描进程链表并检查进程描述符的pid字段是比较低效的，因此引入了4个哈希表：
PIDTYPE_PID
PIDTYPE_TGID
PIDTYPE_PGID
PIDTYPE_SID
　　这四个哈希表在内核初始化时动态地分配空间，它们的地址被存入pid_hash数组，其长度依赖于RAM容量。利用pid_hashfn可以将PID转化为表索引。
　　为了防止出现哈希运算带来的冲突，Linux采用拉链法来解决，即引入具有链表的哈希表来处理。
 
进程组织

　　运行队列的链表把TASK_RUNNING状态的所有进程组织在一起。对于其他状态的进程，Linux做如下处理：
TASK_STOPPED、EXIT_ZOMBIE、EXIT_DEAD状态的进程，Linux并没有为它们建立专门的链表，因为访问简单。
TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程被分为很多类，每一类对应一个特定的事件。在这种状态下，进程状态无法提供足够的信息来快速的得到进程，因此引入额外的进程链表是必要的。这些链表称为“等待队列”。
　　等待队列的用途很多，比如中断处理、进程同步、定时等。
　　等待队列由双链表实现，每个等待队列都有一个队头，这是一个wait_queue_C�一个flags字段，决定了相关进程是互斥进程（flags = 1）还是非互斥进程（flags = 0）%6��保证等待队列被互斥的访问和操作。
　　等待队列中元素的类型是wait_queue_t，该数据结构中有一个task字段，是一个进程描述符的指针；有一个func字段，是一个函数指针，表示进程的如何唤醒（即唤醒时调用该函数）；还有一个flags字段，决定了相关进程是互斥进程（flags = 1）还是非互斥进程（flags = 0）。
　　这里解释下互斥进程与非互斥进程。非互斥进程总是由内核在事件发生时唤醒；互斥进程则是由内核在事件发生时有选择地唤醒，比如访问临界区的进程。
 
进程资源限制

　　每个进程都有一组相关的资源限制，指明了进程能够使用的系统资源数量。避免进程过度使用系统资源（CPU、磁盘空间等）。
　　进程资源的限制存放在进程描述符的signal->rlim字段中，该字段是一个类型为rlimit结构的数组，数组中每个元素对应一种资源。
　　用getrlimit()和setrlimit()系统调用，用户能够增加当前资源限制的上限。
　　如果资源限制值为RLIMIT_INFINITY（0xffffffff），就意味着没有对应的资源限制。
 
总结
　　进程描述符（task_struct）某些字段含义，假设进程为P。
state：P进程状态，用set_task_state和set_current_state宏更改之，或直接赋值。
thread_info：指向thread_info结构的指针。
run_list：假设P状态为TASK_RUNNING，优先级为k，run_list将P连接到优先级为k的可运行进程链表中。
tasks：将P连接到进程链表中。
ptrace_children：链表头，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程。
ptrace_list：P被调试时，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程。
pid：P进程标识（PID）。
tgid：P所在的线程组的领头进程的PID。
real_parent：P的真实的父进程的进程描述符指针。
parent：P的父进程的进程描述符指针，当被调试时就是调试器进程的描述符指针。
children：P的子进程链表。
sibling：将P连接到P的兄弟进程链表。
group_leader：P所在的线程组的领头进程的描述符指针。