浅析task_struct结构体

电路设计

浅析task_struct结构体

2019-07-14 10:23发布生成海报

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本文内容概述：
1.进程的概念
2.进程控制块
3.剖析Linux下的PCB—task_struct

说到task_struct，或许你是非常陌生的。如果我说他其实就是Linux下的对进程控制块PCB定义的一个结构体，你或许就会懂那么一点。下边开始今天分享的主题：

1.进程的概念：

说到进程控制块PCB，不得不说一下进程。在之前的操作系统的课程学习中，给出的定义：进程是程序的一次动态的执行过程。（这样，你真的是能想明白吗？概念确实是比较抽象的，反正之前学习的时候我不是很清楚的）。进程=程序段+数据段+进程控制块。当我再次学习操作系统学习进程的时候，却有了更深层次的认识：

从操作系统的层次：进程是程序的一个执行实例；进程是正在执行的程序；进程是能分配处理机并且由处理机执行的实体。这么一说，没有正在执行的程序就一定不是进程吗？不是。假如在单处理机的系统中，一次只能执行一个进程（也就是说，一次只能有一个进程处于运行状态），那么其他的被加载到内存的程序（已经获得了除处理机之外的所需的全部资源），也是进程。
从内核的层次：担当分配系统资源（包括内存等）的实体。
进程的两个基本元素是程序代码（有可能被其他进程所共享）和与代码相关联的数据集。其实这里，与“进程=程序段+数据段+进程控制块 ”是一样的。数据集就是指的是数据段和进程控制块。

2.进程控制块：

为了描述进程的信息，我们引入了进程控制块这个数据结构。那么，为什么需要进程控制块呢？它起着什么作用？
在单处理机系统，我们每次只能执行一个进程，我们如何知道是哪个进程在执行？执行完这个进程之后，又需要去执行哪些进程？假如一个进程由于种种原因，需要被中断（不是被杀死），那么之后再来执行此进程的时候，我们怎么会知道之前执行到哪（不可能从头开始执行），等等情形，所以就需要进程控制块。
通过分析以上的种种情况，我们得出：进程控制块至少应该包含进程标识（是进程的唯一标识，PID），还有进程的优先级，记录进程的上下文信息，记录进程下一次下一条指令的地址，进程中的程序的地址，等等（下文将会给出task_struct结构体的成员）。
当操作系统要调度某进程去执行时，要从该进程的PCB中查询进程的优先级和现行状态；
当系统调度到某个进程时，要根据PCB中保存的现行信息先去回复现场，然后再去修改进程的状态，根据程序的地址，找到程序的位置，并开始执行；
当进程由于某个原因需要暂停时，就必须将现行状态保存在PCB中，并记录下一条指令的地址。
可见，在进程的整个执行过程中，进程控制块都起着非常重要的作用。下边我们就来剖析Linux下的PCB—task_struct结构体。

3.剖析Linux下的PCB—task_struct

关于task_struct的定义，位于/usr/include/linux/sched.h文件（centos6.5下）中。
下边我就结构体中的数据成员进行分类:

（1）进程的状态：
一个进程是执行状态还是睡眠状态还是阻塞状态，将在下边的成员中进行描述。
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_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

pid是进程的唯一表示，范围是0~32767，可以表示32768个进程。
在Linux系统中，一个线程组的所有线程使用和该线程组的领头线程相同的PID，并被存放在tgid成员中。（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）进程的内核栈 void *stack;//用来维护进程的内核栈。

Linux内核是通过以下的结构体来表示进程的内核栈：

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

注明：关于内核栈，之后再来补充。

（4）进程的标记:

unsigned int flags; 

//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 */

（5）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 */

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。

（6）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;

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//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

（7）时间数据成员：

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;

注明：关于进程的开始执行时间和真正开始执行时间，我认为：进程获得了除了处理机之外的所需的所有资源，它就进入了就绪状态，该时间就是进程的开始执行时间，也就是进入内存的时间。而真正开始时间是或得处理机开始执行的时间。这是本人的认识。

（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;
};

注明：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。