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【Linux kernel】 task_struct解析
1.首先什么是进程？
1.1进程可以这样描述：
- 1>进程是程序的一个执行实例；
- 2>进程是正在执行的程序；
- 3>进程是能分配处理器并由处理器执行的实体。
- 按内核观点来谈进程：它担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。
1.2进程的两个基本元素
- 一是程序代码（可能被执行相同程序的其他进程共享）
- 二是和代码相关联的数据集。这里的“和代码相关联的数据集指的是数据段和进程控制块”。进程是一种动态描述，但是并不代表所有的进程都在运行。(进程在内存中因策略或调度需求，会处于各种状态)。
1.3这里再明确以下几点：
- （1）操作系统执行程序的过程：
- （2）进程是动态运行的实例，但是并不是所有的进程都在运行，这前后两句话并不矛盾，因为程序被加载到内存中后，它的执行由进程的状态以及调度算法等来决定。
2.进程的描述
PCB到底是用来干什么的呢？
- 学了操作系统后，我们都知道操作系统要想管理一个对象，它不是直接进行管理的，而是通过得到被管理者的一些有效信息加以管理的，因此在这里我们也可以这样理解，操作系统管理进程，实则是将进程的有效信息提取出来然后通过管理这些信息来管理进程，而所有的进程信息被存放在一个叫做进程控制块的数据结构中(可以理解为进程属性的集合)，这也就是即将要介绍的进程控制块(PCB).
- 每个进程在内核中都有一个进程控制块(PCB)来维护进程相关的信息,Linux内核的进程控制块是task_struct结构体.
-
task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM中并且包含着进程的信息。每个进程都把它的信息放在 task_struct 这个数据结构体，task_struct 包含了这些内容：
- (1)标示符 ： 描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
- (2)状态 ：任务状态，退出代码，退出信号等。
- (3)优先级 ：相对于其他进程的优先级。
- (4)程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
- (5)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指针。
- (6)上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。
- (7) I／O状态信息：包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。
- (8) 记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
-
有关进程信息还有以下三点需要了解：
- 1>保存进程信息的数据结构叫做 task_struct，可以在 include/linux/sched.h 中找到它；
- 2>所有运行在系统中的进程都以 task_struct 链表的形式存在内核中；
- 3>进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。要获取PID为400的进程信息，你需要查看 /proc/400 这个文件夹。大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取
3.剖析task_struct结构体
（1）进程的状态（volatile long state）
state的可能取值为：
#define TASK_RUNNING 0//进程要么正在执行，要么准备执行
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1 //可中断的睡眠，可以通过一个信号唤醒
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 //不可中断睡眠，不可以通过信号进行唤醒
#define __TASK_STOPPED 4 //进程停止执行
#define __TASK_TRACED 8 //进程被追踪
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE 16 //僵尸状态的进程，表示进程被终止，但是父进程还没有获取它的终止信息，比如进程有没有执行完等信息。
#define EXIT_DEAD 32 //进程的最终状态，进程死亡
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD 64 //死亡
#define TASK_WAKEKILL 128 //唤醒并杀死的进程
#define TASK_WAKING 256 //唤醒进程（2）进程的唯一标识(pid)
pid_t pid;//进程的唯一标识
pid_t tgid;// 线程组的领头线程的pid成员的值- 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。（线程是程序运行的最小单位，进程是程序运行的基本单位。）
（3）进程的标记:（unsigned int flags）
//flags成员的可能取值如下
//进程的标志信息
#define PF_ALIGNWARN 0x00000001 /* Print alignment warning msgs */
/* Not implemented yet, only for 486*/
#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_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_FLUSHER 0x00001000 /* responsible for disk writeback */
#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 freezeable */
#define PF_FREEZER_NOSIG 0x80000000 /* Freezer won't send signals to it */（4）进程之间的亲属关系：
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（进程的子进程链表）。
- sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中（进程的兄弟链表）。
- group_leader指向其所在进程组的领头进程。
（5）进程调度信息：
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;- 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。
- 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(进程的调度策略有：先来先服务，短作业优先、时间片轮转、高响应比优先等等的调度算法)
- 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//按照优先级进行调度（有些地方也说是CFS调度器）
#define SCHED_FIFO 1//先进先出的调度算法
#define SCHED_RR 2//时间片轮转的调度算法
#define SCHED_BATCH 3//用于非交互的处理机消耗型的进程
#define SCHED_IDLE 5//系统负载很低时的调度算法
#define SCHED_RESET_ON_FORK 0x40000000- 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.
(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;- 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） 时间数据成员
- 关于时间，一个进程从创建到终止叫做该进程的生存期，进程在其生存期内使用CPU时间，内核都需要进行记录，进程耗费的时间分为两部分，一部分是用户模式下耗费的时间，一部分是在系统模式下耗费的时间.
cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
cputime_t gtime;
cputime_t prev_utime, prev_stime;//记录当前的运行时间（用户态和内核态）
unsigned long nvcsw, nivcsw; //自愿/非自愿上下文切换计数
struct timespec start_time; //进程的开始执行时间
struct timespec real_start_time; //进程真正的开始执行时间
unsigned long min_flt, maj_flt;
struct task_cputime cputime_expires;//cpu执行的有效时间
struct list_head cpu_timers[3];//用来统计进程或进程组被处理器追踪的时间
struct list_head run_list;
unsigned long timeout;//当前已使用的时间（与开始时间的差值）
unsigned int time_slice;//进程的时间片的大小
int nr_cpus_allowed（8）信号处理信息
struct signal_struct *signal;//指向进程信号描述符
struct sighand_struct *sighand;//指向进程信号处理程序描述符
sigset_t blocked, real_blocked;//阻塞信号的掩码
sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
struct sigpending pending;//进程上还需要处理的信号
unsigned long sas_ss_sp;//信号处理程序备用堆栈的地址
size_t sas_ss_size;//信号处理程序的堆栈的地址（9）文件系统信息
/* filesystem information */
struct fs_struct *fs;//文件系统的信息的指针
/* open file information */
struct files_struct *files;//打开文件的信息指针- 以下是对task_struct的定义及注释：
struct task_struct {
volatile long state; //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
unsigned long flags; //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
int sigpending; //进程上是否有待处理的信号
mm_segment_t addr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
//0-0xBFFFFFFF for user-thead
//0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
//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
volatile long need_resched;
int lock_depth; //锁深度
long nice; //进程的基本时间片
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
int processor;
//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;
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
//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 task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages; //指向本地页面
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
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; //父进程终止时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;
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;
int leader; //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
struct list_head thread_group; //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit; //供wait4()使用
struct completion *vfork_done; //供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。
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
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
//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
//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
//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
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
//文件系统信息
int link_count, total_link_count;
//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
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//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
//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;
//文件系统信息
struct fs_struct *fs;
//打开文件信息
struct files_struct *files;
//信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
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;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
spinlock_t alloc_lock;
void *journal_info;