Linux进程管理---task_struct

Posted 2020-07-21

   首先了解一下什么是进程？

      进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。

      为了使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称之为进程控制块PCB。系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。

     进程控制块就是task_struct结构体。

      task_struct是Linux内核的一种数据结构，每个进程都把它的信息放在task_struct这个数据结构里，task_struct包含了这些内容：

  标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。

  状态：任务状态，退出代码，退出信号等。

  优先级：相对于其他进程的优先级。

  程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。

  内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的地址。

  上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。

   就task_struct结构体所有成员的用法进行简要说明。

    1、进程状态 

volatile long state;  
int exit_state;

    state成员的可能取值如下： 

#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

    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） 

pid_t pid;  
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。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/threads.h */  #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 

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。 

/* linux-2.6.38.8/kernel/fork.c */   
static inline struct thread_info *alloc_thread_info(struct task_struct *tsk)  
{  
#ifdef CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE  
    gfp_t mask = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO;  
#else  
    gfp_t mask = GFP_KERNEL;  
#endif  
    return (struct thread_info *)__get_free_pages(mask, THREAD_SIZE_ORDER);  
}  
static inline void free_thread_info(struct thread_info *ti)  
{  
    free_pages((unsigned long)ti, THREAD_SIZE_ORDER);  
}

    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。 

union thread_union {  
    struct thread_info thread_info;  
    unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];  
};

 

    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。 

/* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/current.h */  
static inline struct task_struct *get_current(void)  
{  
    return current_thread_info()->task;  
}  
  
#define current (get_current())  
  
/* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h */   
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)  
{  
    register unsigned long sp asm ("sp");  
    return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));  
}

    进程内核栈与进程描述符的关系如下图：

 

    4、标记 

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

    flags成员的可能取值如下： 

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

    5、表示进程亲属关系的成员 

struct task_struct *real_parent; /* real parent process */  
struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */  
struct list_head children;  /* list of my children */  
struct list_head sibling;   /* linkage in my parent‘s children list */  
struct task_struct *group_leader;   /* threadgroup leader */

    在Linux系统中，所有进程之间都有着直接或间接地联系，每个进程都有其父进程，也可能有零个或多个子进程。拥有同一父进程的所有进程具有兄弟关系。

    real_parent指向其父进程，如果创建它的父进程不再存在，则指向PID为1的init进程。

    parent指向其父进程，当它终止时，必须向它的父进程发送信号。它的值通常与real_parent相同。

    children表示链表的头部，链表中的所有元素都是它的子进程。

    sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中。

    group_leader指向其所在进程组的领头进程。

    6、ptrace系统调用 

unsigned int ptrace;  
struct list_head ptraced;  
struct list_head ptrace_entry;  
unsigned long ptrace_message;  
siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */  
ifdef CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT  
atomic_t ptrace_bp_refcnt;  
endif

    成员ptrace被设置为0时表示不需要被跟踪，它的可能取值如下： 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/ptrace.h */  
#define PT_PTRACED  0x00000001  
#define PT_DTRACE   0x00000002  /* delayed trace (used on m68k, i386) */  
#define PT_TRACESYSGOOD 0x00000004  
#define PT_PTRACE_CAP   0x00000008  /* ptracer can follow suid-exec */  
#define PT_TRACE_FORK   0x00000010  
#define PT_TRACE_VFORK  0x00000020  
#define PT_TRACE_CLONE  0x00000040  
#define PT_TRACE_EXEC   0x00000080  
#define PT_TRACE_VFORK_DONE 0x00000100  
#define PT_TRACE_EXIT   0x00000200

    7、进程调度 

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;  
unsigned int policy;  
cpumask_t cpus_allowed;

    实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1（即100到139）。值越大静态优先级越低。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h */  
#define MAX_USER_RT_PRIO    100  
#define MAX_RT_PRIO     MAX_USER_RT_PRIO  
  
#define MAX_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 40)  
#define DEFAULT_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 20)

    static_prio用于保存静态优先级，可以通过nice系统调用来进行修改。

    rt_priority用于保存实时优先级。

    normal_prio的值取决于静态优先级和调度策略。

    prio用于保存动态优先级。

    policy表示进程的调度策略，目前主要有以下五种： 

#define SCHED_NORMAL        0  
#define SCHED_FIFO      1  
#define SCHED_RR        2  
#define SCHED_BATCH     3  
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */  
#define SCHED_IDLE      5

    SCHED_NORMAL用于普通进程，通过CFS调度器实现。SCHED_BATCH用于非交互的处理器消耗型进程。SCHED_IDLE是在系统负载很低时使用。

    SCHED_FIFO（先入先出调度算法）和SCHED_RR（轮流调度算法）都是实时调度策略。

    sched_class结构体表示调度类，目前内核中有实现以下四种： 

/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_fair.c */   
static const struct sched_class fair_sched_class;  
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_rt.c */  
static const struct sched_class rt_sched_class;  
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_idletask.c */  
static const struct sched_class idle_sched_class;  
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_stoptask.c */  
static const struct sched_class stop_sched_class;

    se和rt都是调用实体，一个用于普通进程，一个用于实时进程，每个进程都有其中之一的实体。

     

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