电路设计

进程管理—进程描述符（task_struct）

2019-07-14 12:51发布生成海报

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http://blog.csdn.net/qq_26768741/article/details/54348586 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;`

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;

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 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 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;

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;

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

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;

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;

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; 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;

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];

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;

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;

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
#ifdef CONFIG_TRACING
    /* state flags for use by tracers */
    unsigned long trace;
    /* bitmask of trace recursion */
    unsigned long trace_recursion;
#endif /* CONFIG_TRACING */
    /* reserved for Red Hat */
    unsigned long rh_reserved[2];
#ifndef __GENKSYMS__
    struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR /* memcg uses this to do batch job */
    struct memcg_batch_info {
        int do_batch;   /* incremented when batch uncharge started */
        struct mem_cgroup *memcg; /* target memcg of uncharge */
        unsigned long bytes;        /* uncharged usage */
        unsigned long memsw_bytes; /* uncharged mem+swap usage */
    } memcg_batch;
#endif
#endif
};

如果需要，可从github处取走注释源码：https://github.com/wsy081414/C_linux_practice/blob/master/task_struct.h

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