linux下的task struct结构体分析

 进程是处于执行期的程序以及它所管理的资源（如打开的文件、挂起的信号、进程状态、地址空间等等）的总称。注意，程序并不是进程，实际上两个或多个进程不仅有可能执行同一程序，而且还有可能共享地址空间等资源。

    Linux内核通过一个被称为进程描述符的task_struct结构体来管理进程，这个结构体包含了一个进程所需的所有信息。它定义在linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h文件中。

    本文将尽力就task_struct结构体所有成员的用法进行简要说明。

    1、进程状态 

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1. volatile long state;  
2. int exit_state;  

    state成员的可能取值如下： 

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1. #define TASK_RUNNING        0  
2. #define TASK_INTERRUPTIBLE  1  
3. #define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2  
4. #define __TASK_STOPPED      4  
5. #define __TASK_TRACED       8  
6. /* in tsk->exit_state */  
7. #define EXIT_ZOMBIE     16  
8. #define EXIT_DEAD       32  
9. /* in tsk->state again */  
10. #define TASK_DEAD       64  
11. #define TASK_WAKEKILL       128  
12. #define TASK_WAKING     256  

    系统中的每个进程都必然处于以上所列进程状态中的一种。

    TASK_RUNNING表示进程要么正在执行，要么正要准备执行。

    TASK_INTERRUPTIBLE表示进程被阻塞（睡眠），直到某个条件变为真。条件一旦达成，进程的状态就被设置为TASK_RUNNING。

    TASK_UNINTERRUPTIBLE的意义与TASK_INTERRUPTIBLE类似，除了不能通过接受一个信号来唤醒以外。

    __TASK_STOPPED表示进程被停止执行。

    __TASK_TRACED表示进程被debugger等进程监视。

    EXIT_ZOMBIE表示进程的执行被终止，但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息。

    EXIT_DEAD表示进程的最终状态。

    EXIT_ZOMBIE和EXIT_DEAD也可以存放在exit_state成员中。进程状态的切换过程和原因大致如下图（图片来自《Linux Kernel Development》）：

 

    2、进程标识符（PID） 

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1. pid_t pid;  
2. pid_t tgid;  

    在CONFIG_BASE_SMALL配置为0的情况下，PID的取值范围是0到32767，即系统中的进程数最大为32768个。 

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1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/threads.h */  
2. #define PID_MAX_DEFAULT (CONFIG_BASE_SMALL ? 0x1000 : 0x8000)  

    在Linux系统中，一个线程组中的所有线程使用和该线程组的领头线程（该组中的第一个轻量级进程）相同的PID，并被存放在tgid成员中。只有线程组的领头线程的pid成员才会被设置为与tgid相同的值。注意，getpid()系统调用返回的是当前进程的tgid值而不是pid值。

    3、进程内核栈 

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1. void *stack;  

    进程通过alloc_thread_info函数分配它的内核栈，通过free_thread_info函数释放所分配的内核栈。 

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1. /* linux-2.6.38.8/kernel/fork.c */   
2. static inline struct thread_info *alloc_thread_info(struct task_struct *tsk)  
3. {  
4. #ifdef CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE  
5.     gfp_t mask = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO;  
6. #else  
7.     gfp_t mask = GFP_KERNEL;  
8. #endif  
9.     return (struct thread_info *)__get_free_pages(mask, THREAD_SIZE_ORDER);  
10. }  
11. static inline void free_thread_info(struct thread_info *ti)  
12. {  
13.     free_pages((unsigned long)ti, THREAD_SIZE_ORDER);  
14. }  

    其中，THREAD_SIZE_ORDER宏在linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h文件中被定义为1，也就是说alloc_thread_info函数通过调用__get_free_pages函数分配2个页的内存（它的首地址是8192字节对齐的）。

    Linux内核通过thread_union联合体来表示进程的内核栈，其中THREAD_SIZE宏的大小为8192。 

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1. union thread_union {  
2.     struct thread_info thread_info;  
3.     unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];  
4. };  

    当进程从用户态切换到内核态时，进程的内核栈总是空的，所以ARM的sp寄存器指向这个栈的顶端。因此，内核能够轻易地通过sp寄存器获得当前正在CPU上运行的进程。 

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1. /* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/current.h */  
2. static inline struct task_struct *get_current(void)  
3. {  
4.     return current_thread_info()->task;  
5. }  
6.   
7. #define current (get_current())  
8.   
9. /* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h */   
10. static inline struct thread_info *current_thread_info(void)  
11. {  
12.     register unsigned long sp asm ("sp");  
13.     return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));  
14. }  

    进程内核栈与进程描述符的关系如下图：

 

    4、标记 

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1. unsigned int flags; /* per process flags, defined below */  

    flags成员的可能取值如下： 

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1. #define PF_KSOFTIRQD    0x00000001  /* I am ksoftirqd */  
2. #define PF_STARTING 0x00000002  /* being created */  
3. #define PF_EXITING  0x00000004  /* getting shut down */  
4. #define PF_EXITPIDONE   0x00000008  /* pi exit done on shut down */  
5. #define PF_VCPU     0x00000010  /* I'm a virtual CPU */  
6. #define PF_WQ_WORKER    0x00000020  /* I'm a workqueue worker */  
7. #define PF_FORKNOEXEC   0x00000040  /* forked but didn't exec */  
8. #define PF_MCE_PROCESS  0x00000080      /* process policy on mce errors */  
9. #define PF_SUPERPRIV    0x00000100  /* used super-user privileges */  
10. #define PF_DUMPCORE 0x00000200  /* dumped core */  
11. #define PF_SIGNALED 0x00000400  /* killed by a signal */  
12. #define PF_MEMALLOC 0x00000800  /* Allocating memory */  
13. #define PF_USED_MATH    0x00002000  /* if unset the fpu must be initialized before use */  
14. #define PF_FREEZING 0x00004000  /* freeze in progress. do not account to load */  
15. #define PF_NOFREEZE 0x00008000  /* this thread should not be frozen */  
16. #define PF_FROZEN   0x00010000  /* frozen for system suspend */  
17. #define PF_FSTRANS  0x00020000  /* inside a filesystem transaction */  
18. #define PF_KSWAPD   0x00040000  /* I am kswapd */  
19. #define PF_OOM_ORIGIN   0x00080000  /* Allocating much memory to others */  
20. #define PF_LESS_THROTTLE 0x00100000 /* Throttle me less: I clean memory */  
21. #define PF_KTHREAD  0x00200000  /* I am a kernel thread */  
22. #define PF_RANDOMIZE    0x00400000  /* randomize virtual address space */  
23. #define PF_SWAPWRITE    0x00800000  /* Allowed to write to swap */  
24. #define PF_SPREAD_PAGE  0x01000000  /* Spread page cache over cpuset */  
25. #define PF_SPREAD_SLAB  0x02000000  /* Spread some slab caches over cpuset */  
26. #define PF_THREAD_BOUND 0x04000000  /* Thread bound to specific cpu */  
27. #define PF_MCE_EARLY    0x08000000      /* Early kill for mce process policy */  
28. #define PF_MEMPOLICY    0x10000000  /* Non-default NUMA mempolicy */  
29. #define PF_MUTEX_TESTER 0x20000000  /* Thread belongs to the rt mutex tester */  
30. #define PF_FREEZER_SKIP 0x40000000  /* Freezer should not count it as freezable */  
31. #define PF_FREEZER_NOSIG 0x80000000 /* Freezer won't send signals to it */  

    5、表示进程亲属关系的成员 

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1. struct task_struct *real_parent; /* real parent process */  
2. struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */  
3. struct list_head children;  /* list of my children */  
4. struct list_head sibling;   /* linkage in my parent's children list */