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进程管理—进程描述符（task_struct）

2019-07-14 12:47发布

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本文章转载自：http://blog.csdn.net/qq_26768741/article/details/54348586?locationNum=4&fps=1

前言

当把一个程序加载到内存当中，此时，这个时候就有了进程，关于进程，有一个相关的叫做进程控制块（PCB），这个是系统为了方便进行管理进程所设置的一个数据结构，通过PCB，就可以记录进程的特征以及一些信息。 
内核当中使用进程描述符task_struct。 
这个task_struct就是一个定义的一个结构体，通过这个结构体，可以对进程的所有的相关的信息进行维护，对进程进行管理。 接下来我们需要对task_struct结构体当中的成员进行一些分析。 linux内核版本 Linux version 2.6.32-431.el6.i686

1 task_struct

1.1 进程状态

volatile long state; int exit_state;`
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表示进程的状态， 
在进程执行的时候，它会有一个状态，这个状态对于进程来说是很重要的一个属性。进程主要有以下几个状态。 state可能的取值 
这里写图片描述 这里写图片描述
这些状态就不再一一说明了，后续进程篇会有专门的说明。

1.2 进程标识符（PID）

pid_t pid; pid_t tgid;
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每个进程都有进程标识符、用户标识符、组标识符，进程标识符对于每一个进程来说都是唯一的。内核通过进程标识符来对不同的进程进行识别，一般来说，行创建的进程都是在前一个进程的基础上PID加上1作为本进程的PID。为了Linux平台兼容性，PID一般最大为32767。

1.3 进程内核栈

void *stack
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stack用来维护分配给进程的内核栈，内核栈的意义在于，进程task_struct所占的内存是由内核动态分配的，确切的说就是内核根本不给task_struct分配内存，只给内核栈分配8KB内存，并且一部分会提供给task_struct使用。 
task_struct结构体大约占用的大小为1K左右，根据内核版本的不同，大小也会有差异。 
所以，也就可以知道内核栈最大也就是7KB，否则，内核栈会覆盖task_struct结构。

1.4 标记

unsigned int flags
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用来反映一个进程的状态信息，但不是运行状态，用于内核识别进程当前的状态，flags的取值如下： 可使用的标记 功能 PF_FORKNOEXEC 进程刚创建，但还没执行。 PF_SUPERPRIV 超级用户特权。 PF_DUMPCORE 关于核心。 PF_SIGNALED 进程被信号(signal)杀出。 PF_EXITING 进程开始关闭。

1.5 表示进程亲属关系的成员

struct task_struct *real_parent; struct task_struct *parent; struct list_head children; struct list_head sibling; struct task_struct *group_leader;
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linux系统当中，考虑到进程的派生，所以进程之间会存在父进程和子进程这样的关系，当然，对于同一个父进程派生出来的进程，他们的关系当然是兄弟进程了。 成员 功能 real_parent 指向父进程的指针，如果父进程不存在了，则指向PID为1的进程 parent 指向父进程的，值与real——parent相同，需要向它的父进程发送信号 children 表示链表的头部，链表中的所有元素都是它的子进程 sibling 用于当前进程插入兄弟链表当中 group_leader 指向进程组的领头进程

1.6 ptrace系统调用

unsigned int ptrace; struct list_head ptraced; struct list_head ptrace_entry;
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首先我们要清楚ptrace是什么东西，ptrace是一种提供父进程控制子进程运行，并且可以检查和改变它的核心image。当trace设置为0时不需要被跟踪。

1.7 性能诊断工具——Performance Event

#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS #ifndef __GENKSYMS__ void * __reserved_perf__; #else struct perf_event_context *perf_event_ctxp; #endif struct mutex perf_event_mutex; struct list_head perf_event_list; #endif
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Performance Event是性能诊断工具，这些成员用来帮助它进行分析进程性能问题。

1.8 进程调度

int prio, static_prio, normal_prio; unsigned int rt_priority;
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成员 功能 static_prio 保存静态优先级，可以通过nice系统进行修改 rt_priority 保存实时优先级 normal_prio 保存静态优先级和调度策略 prio 保存动态优先级 调度进程利用这部分信息决定系统当中的那个进程最应该运行，并且结合进程的状态信息保证系统运作高效。 提到进程调度，当然还需要说明一下进程调度策略，我们来看下关于调度策略的成员： unsigned int policy; const struct sched_class *sched_class; struct sched_entity se; struct sched_rt_entity rt;
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成员 功能 policy 调度策略 sched_class 调度类 se 普通进程的一个调用的实体，每一个进程都有其中之一的实体 rt 实时进程的调用实体，每个进程都有其中之一的实体 cpus_allowed 用于控制进程可以在处理器的哪里运行 policy表示进程的调度策略，主要有以下五种： 种类 功能 SCHED_NORMAL 用于普通进程 SCHED_BATCH 普通进程策略的分化版本，采用分时策略 SCHED_IDLE 优先级最低，系统空闲时才跑这类进程 SCHED_FIFO 先入先出的调度算法 SCHED_RR 实时调度算法，采用时间片，相同优先级的任务当用完时间片就会放到队列的尾部，保证公平性，同时，高优先级的任务抢占低优先级的任务。 SCHED_DEADLINE 新支持的实时调度策略，正对突发性计算 说完了调度策略，我们再来看一下调度类。 调度类 功能 idle_sched_class 每一个cpu的第一个pid=0的线程，是一个静态的线程 stop_sched_class 优先级最高的线程，会中断所有其他的线程，而且不会被其他任务打断 rt_sched_slass 作用在实时线程 fair_sched_class 作用的一般线程 它们的优先级顺序为Stop>rt>fair>idle

1.9进程的地址空间

struct mm_struct *mm, *active_mm;
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成员 功能 mm 进程所拥有的用户空间的内存描述符 active_mm 指向进程运行时使用的内存描述符，对于普通的进程来说，mm和active_mm是一样的，但是内核线程是没有进程地址空间的，所以内核线程的mm是空的，所以需要初始化内核线程的active_mm 对于内核线程切记是没有地址空间的。 后续会有专门的博客来叙述

1.10 判断标志

//用于进程判断标志 int exit_state; int exit_code, exit_signal; int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */ /* ??? */ unsigned int personality; unsigned did_exec:1; unsigned in_execve:1; /* Tell the LSMs that the process is doing an * execve */ unsigned in_iowait:1; /* Revert to default priority/policy when forking */ unsigned sched_reset_on_fork:1;
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成员 功能 exit_state 进程终止的状态 exit_code 设置进程的终止代号 exit_signal 设置为-1的时候表示是某个线程组当中的一员，只有当线程组的最后一个成员终止时，才会产生型号给父进程 pdeath_signal 用来判断父进程终止时的信号

1.11 时间与定时器

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。 //描述CPU时间的内容 cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled; cputime_t gtime; cputime_t prev_utime, prev_stime; unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */ struct timespec start_time; /* monotonic time */ struct timespec real_start_time; /* boot based time */ struct task_cputime cputime_expires; struct list_head cpu_timers[3];
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成员 属性 utime/stime 用于记录进程在用户状态/内核态下所经过的定时器 prev_utime/prev_stime 记录当前的运行时间 utimescaled/stimescaled 分别记录进程在用户态和内核态的运行的时间 gtime 记录虚拟机的运行时间 nvcsw/nicsw 是自愿/非自愿上下文切换计数 start_time/real_start_time 进程创建时间，real还包括了进程睡眠时间 cputime_expires 用来统计进程或进程组被跟踪的处理器时间，三个成员对应的是下面的cpu_times[3]的三个链表 然后接下来我们来看一下进程的定时器，一共是三种定时器。 定时器类型 解释 更新时刻 ITIMER_REAL 实时定时器 实时更新，不在乎进程是否运行 ITIMER_VIRTUAL 虚拟定时器 只在进程运行用户态时更新 ITIMER_PROF 概况定时器 进程运行于用户态和系统态进行更新 进程总过有三种定时器，这三种定时器的特征有到期时间，定时间隔，和要触发的时间，

1.12 信号处理

struct signal_struct *signal; struct sighand_struct *sighand; sigset_t blocked, real_blocked; sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */ struct sigpending pending; unsigned long sas_ss_sp; size_t sas_ss_size;
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关于信号处理： 成员 功能 signal 指向进程信号描述符 sighand 指向进程信号处理程序描述符 blocked 表示被阻塞信号的掩码 pending 存放私有挂起信号的数据结构 sas_ss_sp 信号处理程序备用堆栈的地址

1.13 文件系统信息

//文件系统信息结构体 /* filesystem information */ struct fs_struct *fs; //打开文件相关信息结构体 /* open file information */ struct files_struct *files;
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进程可以用来打开和关闭文件，文件属于系统资源，task_struct有两个来描述文件资源，他们会描述两个VFS索引节点，两个节点分别是root和pwd，分别指向根目录和当前的工作目录。 成员 功能 struct fs_struct *fs 进程可执行镜像所在的文件系统 struct files_struct *files 进程当前打开的文件

1.14 其他

struct task_struct { //进程状态（-1就绪态，0运行态，>0停止态） volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ //进程内核栈 void *stack; //有几个进程只在使用此结构 atomic_t usage; //标记 unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ //ptrace系统调用，关于实现断点调试，跟踪进程运行。 unsigned int ptrace; //锁的深度 int lock_depth; /* BKL lock depth */ //SMP实现无加锁的进程切换 #ifdef CONFIG_SMP #ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW int oncpu; #endif #endif //关于进程调度 int prio, static_prio, normal_prio; //优先级 unsigned int rt_priority; //关于进程 const struct sched_class *sched_class; struct sched_entity se; struct sched_rt_entity rt; //preempt_notifier结构体链表 #ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS /* list of struct preempt_notifier: */ struct hlist_head preempt_notifiers; #endif /* * fpu_counter contains the number of consecutive context switches * that the FPU is used. If this is over a threshold, the lazy fpu * saving becomes unlazy to save the trap. This is an unsigned char * so that after 256 times the counter wraps and the behavior turns * lazy again; this to deal with bursty apps that only use FPU for * a short time */ //FPU使用计数 unsigned char fpu_counter; //块设备I/O层的跟踪工具 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE unsigned int btrace_seq; #endif //进程调度策略相关的字段 unsigned int policy; cpumask_t cpus_allowed; //RCU同步原语 #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU int rcu_read_lock_nesting; char rcu_read_unlock_special; struct rcu_node *rcu_blocked_node; struct list_head rcu_node_entry; #endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */ //用于调度器统计进程运行信息 #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT) struct sched_info sched_info; #endif //用于构架进程链表 struct list_head tasks; struct plist_node pushable_tasks; //关于进程的地址空间，指向进程的地址空间。（链表和红黑树） struct mm_struct *mm, *active_mm; /* task state */ //进程状态参数 int exit_state; //退出信号处理 int exit_code, exit_signal; //接收父进程终止的时候会发送信号 int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */ /* ??? */ unsigned int personality; unsigned did_exec:1; unsigned in_execve:1; /* Tell the LSMs that the process is doing an * execve */ unsigned in_iowait:1; /* Revert to default priority/policy when forking */ unsigned sched_reset_on_fork:1; //进程pid，父进程ppid。 pid_t pid; pid_t tgid; //防止内核堆栈溢出 #ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR /* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */ unsigned long stack_canary; #endif /* * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling, * older sibling, respectively. (p->father can be replaced with * p->real_parent->pid) */ //这部分是用来进行维护进程之间的亲属关系的。 //初始化父进程 struct task_struct *real_parent; /* real parent process */ //接纳终止的进程 struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */ /* * children/sibling forms the list of my natural children */ //维护子进程链表 struct list_head children; /* list of my children */ //兄弟进程链表 struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */ //线程组组长 struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */ /* * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on. * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets. * p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list. */ //ptrace，系统调用，关于断点调试。 struct list_head ptraced; struct list_head ptrace_entry; //PID与PID散列表的联系 /* PID/PID hash table linkage. */ struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; //维护一个链表，里面有该进程所有的线程 struct list_head thread_group; //do_fork()函数 struct completion *vfork_done; /* for vfork() */ int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */ int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */ //描述CPU时间的内容 //utime是用户态下的执行时间 //stime是内核态下的执行时间 cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled; cputime_t gtime; cputime_t prev_utime, prev_stime; //上下文切换计数 unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */ struct timespec start_time; /* monotonic time */ struct timespec real_start_time; /* boot based time */ /* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */ //缺页统计 unsigned long min_flt, maj_flt; struct task_cputime cputime_expires; struct list_head cpu_timers[3]; /* process credentials */ //进程身份凭据 const struct cred *real_cred; /* objective and real subjective task * credentials (COW) */ const struct cred *cred; /* effective (overridable) subjective task * credentials (COW) */ struct mutex cred_guard_mutex; /* guard against foreign influences on * credential calculations * (notably. ptrace) */ struct cred *replacement_session_keyring; /* for KEYCTL_SESSION_TO_PARENT */ //去除路径以后的可执行文件名称，进程名 char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path - access with [gs]et_task_comm (which lock it with task_lock()) - initialized normally by setup_new_exec */ /* file system info */ //文件系统信息 int link_count, total_link_count; #ifdef CONFIG_SYSVIPC /* ipc stuff */ //进程通信 struct sysv_sem sysvsem; #endif #ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK /* hung task detection */ unsigned long last_switch_count; #endif //该进程在特点CPU下的状态 /* CPU-specific state of this task */ struct thread_struct thread; //文件系统信息结构体 /* filesystem information */ struct fs_struct *fs; //打开文件相关信息结构体 /* open file information */ struct files_struct *files; /* namespaces */ //命名空间： struct nsproxy *nsproxy; /* signal handlers */ //关于进行信号处理 struct signal_struct *signal; struct sighand_struct *sighand; sigset_t blocked, real_blocked; sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */ struct sigpending pending; unsigned long sas_ss_sp; size_t sas_ss_size; int (*notifier)(void *priv); void *notifier_data; sigset_t *notifier_mask; //进程审计 struct audit_context *audit_context; #ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL uid_t loginuid; unsigned int sessionid; #endif seccomp_t seccomp; #ifdef CONFIG_UTRACE struct utrace *utrace; unsigned long utrace_flags; #endif //线程跟踪组 /* Thread group tracking */ u32 parent_exec_id; u32 self_exec_id; /* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed, * mempolicy */ spinlock_t alloc_lock; //中断 #ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS /* IRQ handler threads */ struct irqaction *irqaction; #endif //task_rq_lock函数所使用的锁 /* Protection of the PI data structures: */ spinlock_t pi_lock; //基于PI协议的等待互斥锁 #ifdef CONFIG_RT_MUTEXES /* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */ struct plist_head pi_waiters; /* Deadlock detection and priority inheritance handling */ struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on; #endif //死锁检测 #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES /* mutex deadlock detection */ struct mutex_waiter *blocked_on; #endif //中断 #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS unsigned int irq_events; int hardirqs_enabled; unsigned long hardirq_enable_ip; unsigned int hardirq_enable_event; unsigned long hardirq_disable_ip; unsigned int hardirq_disable_event; int softirqs_enabled; unsigned long softirq_disable_ip; unsigned int softirq_disable_event; unsigned long softirq_enable_ip; unsigned int softirq_enable_event; int hardirq_context; int softirq_context; #endif //lockdep #ifdef CONFIG_LOCKDEP # define MAX_LOCK_DEPTH 48UL u64 curr_chain_key; int lockdep_depth; unsigned int lockdep_recursion; struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH]; gfp_t lockdep_reclaim_gfp; #endif //日志文件 /* journalling filesystem info */ void *journal_info; /* stacked block device info */ //块设备链表 struct bio *bio_list, **bio_tail; /* VM state */ //虚拟内存状态，内存回收 struct reclaim_state *reclaim_state; //存放块设备I/O流量信息 struct backing_dev_info *backing_dev_info; //I/O调度器所用信息 struct io_context *io_context; unsigned long ptrace_message; siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use. */ //记录进程I/O计数 struct task_io_accounting ioac; #if defined(CONFIG_TASK_XACCT) u64 acct_rss_mem1; /* accumulated rss usage */ u64 acct_vm_mem1; /* accumulated virtual memory usage */ cputime_t acct_timexpd; /* stime + utime since last update */ #endif //CPUSET功能 #ifdef CONFIG_CPUSETS nodemask_t mems_allowed; /* Protected by alloc_lock */ #ifndef __GENKSYMS__ /* * This does not change the size of the struct_task(2+2+4=4+4) * so the offsets of the remaining fields are unchanged and * therefore the kABI is preserved. Only the kernel uses * cpuset_mem_spread_rotor and cpuset_slab_spread_rotor so * it is safe to change it to use shorts instead of ints. */ unsigned short cpuset_mem_spread_rotor; unsigned short cpuset_slab_spread_rotor; int mems_allowed_change_disable; #else int cpuset_mem_spread_rotor; int cpuset_slab_spread_rotor; #endif #endif //Control Groups #ifdef CONFIG_CGROUPS /* Control Group info protected by css_set_lock */ struct css_set *cgroups; /* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */ struct list_head cg_list; #endif //futex同步机制 #ifdef CONFIG_FUTEX struct robust_list_head __user *robust_list; #ifdef CONFIG_COMPAT struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list; #endif struct list_head pi_state_list; struct futex_pi_state *pi_state_cache; #endif //关于内存检测工具Performance Event #ifdef CONFIG_PERF_EVENTS #ifndef __GENKSYMS__ void * __reserved_perf__; #else struct perf_event_context *perf_event_ctxp; #endif struct mutex perf_event_mutex; struct list_head perf_event_list; #endif //非一致内存访问 #ifdef CONFIG_NUMA struct mempolicy *mempolicy; /* Protected by alloc_lock */ short il_next; #endif //文件系统互斥资源 atomic_t fs_excl; /* holding fs exclusive resources */ //RCU链表 struct rcu_head rcu; /* * cache last used pipe for splice */ //管道 struct pipe_inode_info *splice_pipe; //延迟计数 #ifdef CONFIG_TASK_DELAY_ACCT struct task_delay_info *delays; #endif #ifdef CONFIG_FAULT_INJECTION int make_it_fail; #endif struct prop_local_single dirties; #ifdef CONFIG_LATENCYTOP int latency_record_count; struct latency_record latency_record[LT_SAVECOUNT]; #endif /* * time slack values; these are used to round up poll() and * select() etc timeout values. These are in nanoseconds. */ //time slack values,常用于poll和select函数 unsigned long timer_slack_ns; unsigned long default_timer_slack_ns; //socket控制消息 struct list_head *scm_work_list; #ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER //ftrace跟踪器 /* Index of current stored adress in ret_stack */ int curr_ret_stack; /* Stack of return addresses for return function tracing */ struct ftrace_ret_stack *ret_stack; /* time stamp for last schedule */ unsigned long long ftrace_timestamp; /* * Number of functions that haven't been traced * because of depth overrun. */ atomic_t trace_overrun; /* Pause for the tracing */ atomic_t tracing_graph_pause; #endif

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