Linux进程管理之task_struct

进程的概念

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。

进程控制块

         在广义上，所有的进程信息都被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，这个可以理解为进程属性的集合。这里的进程控制块也就是所谓的PCB，他是一个非常大的数据结构，那么它到底有多大呢？如果没什么意外，这个结构体可能是目前最大的单个变量了，一个结构体就有好几k那么大，想想他包含了一个进程的所有信息，这么庞大也不足为怪了。LINUX内核代码纷繁复杂，千头万绪，这个结构体是系统进程在执行过程中所有涉及的方方面面的缩影，包括系统内存管理子系统、进程调度子系统、虚拟文件系统等等，以这个所谓的PCB为切入点，是一个很好的研究内核的窗口。总之，当一个程序文件被执行的时候，内核将会产生这么一个结构体，来承载所有该活动实体日后运行时所需要的所有资源，随着进程的运行，各种资源被分配和释放，是一个动态的过程。

     每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程的相关信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。它会被装载到RAM里并且包含着进程的信息，每个进程都会把它的进程的相关信息放在task_struct数据结构中，task_struct主要包含了下面这些内容：
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（PC）：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，还有和其它进程共享的内存块的指针。
上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。
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。
记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数综合、时间限制、记账号等。

这个结构体包含了一个进程所需的所有信息。它定义在linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h文件中。


下面对task_struct这个结构体 进行各个字段的详细介绍

　　1. 调度数据成员


　　(1) volatile long states;


　　表示进程的当前状态:


　　* TASK_RUNNING:正在运行或在就绪队列run-queue中准备运行的进程，实际参与进程调度。


　　* TASK_INTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，也可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒后进入就绪队列 run-queue。


　　* TASK_UNINTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，不可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒。


　　* TASK_ZOMBIE:表示进程结束但尚未消亡的一种状态(僵死状态)。此时，进程已经结束运行且释放大部分资源，但尚未释放进程控制块。


　　*TASK_STOPPED:进程被暂停，通过其它进程的信号才能唤醒。导致这种状态的原因有二，或者是对收到SIGSTOP、SIGSTP、 SIGTTIN或SIGTTOU信号的反应，或者是受其它进程的ptrace系统调用的控制而暂时将CPU交给控制进程。


　　* TASK_SWAPPING: 进程页面被交换出内存的进程。


　　(2) unsigned long flags;


　　进程标志:


　　*PF_ALIGNWARN 打印“对齐”警告信息。


　　*PF_PTRACED 被ptrace系统调用监控。


　　*PF_TRACESYS 正在跟踪。


　　*PF_FORKNOEXEC 进程刚创建，但还没执行。


　　*PF_SUPERPRIV 超级用户特权。


　　*PF_DUMPCORE dumped core。


　　*PF_SIGNALED 进程被信号(signal)杀出。


　　*PF_STARTING 进程正被创建。


　　*PF_EXITING 进程开始关闭。


　　*PF_USEDFPU 该进程使用FPU(SMP only)。


　　*PF_DTRACE delayed trace (used on m68k)。


　　(3) long priority;


　　进程优先级。 Priority的值给出进程每次获取CPU后可使用的时间(按jiffies计)。优先级可通过系统调用sys_setpriorty改变(在 kernel/sys.c中)。


　　(4) unsigned long rt_priority;


　　rt_priority 给出实时进程的优先级，rt_priority+1000给出进程每次获取CPU后可使用的时间(同样按jiffies计)。实时进程的优先级可通过系统 调用sys_sched_setscheduler()改变(见kernel/sched.c)。


　　(5) long counter;


　　在 轮转法调度时表示进程当前还可运行多久。在进程开始运行是被赋为priority的值，以后每隔一个tick(时钟中断)递减1，减到0时引起新一轮调 度。重新调度将从run_queue队列选出counter值最大的就绪进程并给予CPU使用权，因此counter起到了进程的动态优先级的作用 (priority则是静态优先级)。


　　(6) unsigned long policy;


　　该进程的进程调度策略，可以通过系统调用sys_sched_setscheduler()更改(见kernel/sched.c)。调度策略有:


　　*SCHED_OTHER 0 非实时进程，基于优先权的轮转法(round robin)。


　　*SCHED_FIFO 1 实时进程，用先进先出算法。


　　*SCHED_RR 2 实时进程，用基于优先权的轮转法。


　　2. 信号处理


　　(1) unsigned long signal;


　　进程接收到的信号。每位表示一种信号，共32种。置位有效。


　　(2) unsigned long blocked;


　　进程所能接受信号的位掩码。置位表示屏蔽，复位表示不屏蔽。


　　(3) struct signal_struct *sig;


　　因 为signal和blocked都是32位的变量，Linux最多只能接受32种信号。对每种信号，各进程可以由PCB的sig属性选择使用自定义的处理 函数，或是系统的缺省处理函数。指派各种信息处理函数的结构定义在include/linux/sched.h中。对信号的检查安排在系统调用结束后，以 及“慢速型”中断服务程序结束后(IRQ#_interrupt()，参见9。5节“启动内核”)。


　　3. 进程队列指针


　　(1) struct task_struct *next_task，*prev_task;


　　所有进程(以PCB的形式)组成一个双向链表。next_task和就是链表的前后指针。链表的头和尾都是init_task(即0号进程)。


　　(2) struct task_struct *next_run，*prev_run;


　　由正在运行或是可以运行的，其进程状态均为TASK_RUNNING的进程所组成的一个双向循环链表，即run_queue就绪队列。该链表的前后向指针用next_run和prev_run，链表的头和尾都是init_task(即0号进程)。


　　(3) struct task_struct *p_opptr，*p_pptr;和struct task_struct *p_cptr，*p_ysptr，*p_osptr;


　　以上分别是指向原始父进程(original parent)、父进程(parent)、子进程(youngest child)及新老兄弟进程(younger sibling，older sibling)的指针。


　　4. 进程标识


　　(1) unsigned short uid，gid;


　　uid和gid是运行进程的用户标识和用户组标识。


　　(2) int groups[NGROUPS];


　　与多数现代UNIX操作系统一样，Linux允许进程同时拥有一组用户组号。在进程访问文件时，这些组号可用于合法性检查。


　　(3) unsigned short euid，egid;


　　euid 和egid又称为有效的uid和gid。出于系统安全的权限的考虑，运行程序时要检查euid和egid的合法性。通常，uid等于euid，gid等于 egid。有时候，系统会赋予一般用户暂时拥有root的uid和gid(作为用户进程的euid和egid)，以便于进行运作。


　　(4) unsigned short fsuid，fsgid;


　　fsuid 和fsgid称为文件系统的uid和gid，用于文件系统操作时的合法性检查，是Linux独特的标识类型。它们一般分别和euid和egid一致，但在 NFS文件系统中NFS服务器需要作为一个特殊的进程访问文件，这时只修改客户进程的fsuid和fsgid。


　　(5) unsigned short suid，sgid;


　　suid和sgid是根据POSIX标准引入的，在系统调用改变uid和gid时，用于保留真正的uid和gid。


　　(6) int pid，pgrp，session;


　　进程标识号、进程的组织号及session标识号，相关系统调用(见程序kernel/sys.c)有sys_setpgid、sys_getpgid、 sys_setpgrp、sys_getpgrp、sys_getsid及sys_setsid几种。


　　(7) int leader;


　　是否是session的主管，布尔量。


　　5. 时间数据成员


　　(1) unsigned long timeout;


　　用于软件定时，指出进程间隔多久被重新唤醒。采用tick为单位。


　　(2) unsigned long it_real_value，it_real_iner;


　　用 于itimer(interval timer)软件定时。采用jiffies为单位，每个tick使it_real_value减到0时向进程发信号SIGALRM，并重新置初值。初值由 it_real_incr保存。具体代码见kernel/itimer.c中的函数it_real_fn()。


　　(3) struct timer_list real_timer;


　　一种定时器结构(Linux共有两种定时器结构，另一种称作old_timer)。数据结构的定义在include/linux/timer.h中，相关操作函数见kernel/sched.c中add_timer()和del_timer()等。


　　(4) unsigned long it_virt_value，it_virt_incr;


　　关 于进程用户态执行时间的itimer软件定时。采用jiffies为单位。进程在用户态运行时，每个tick使it_virt_value减1，减到0时 向进程发信号SIGVTALRM，并重新置初值。初值由it_virt_incr保存。具体代码见kernel/sched.c中的函数 do_it_virt()。


　　(5) unsigned long it_prof_value，it_prof_incr;


　　同样是 itimer软件定时。采用jiffies为单位。不管进程在用户态或内核态运行，每个tick使it_prof_value减1，减到0时向进程发信号 SIGPROF，并重新置初值。初值由it_prof_incr保存。 具体代码见kernel/sched.c中的函数do_it_prof。


　　(6) long utime，stime，cutime，cstime，start_time;


　　以上分别为进程在用户态的运行时间、进程在内核态的运行时间、所有层次子进程在用户态的运行时间总和、所有层次子进程在核心态的运行时间总和，以及创建该进程的时间。


　　6. 信号量数据成员


　　(1) struct sem_undo *semundo;


　　进 程每操作一次信号量，都生成一个对此次操作的undo操作，它由sem_undo结构描述。这些属于同一进程的undo操作组成的链表就由semundo 属性指示。当进程异常终止时，系统会调用undo操作。sem_undo的成员semadj指向一个数据数组，表示各次undo的量。结构定义在 include/linux/sem.h。


　　(2) struct sem_queue *semsleeping;


　　每一信号量集合对应一 个sem_queue等待队列(见include/linux/sem.h)。进程因操作该信号量集合而阻塞时，它被挂到semsleeping指示的关 于该信号量集合的sem_queue队列。反过来，semsleeping。sleeper指向该进程的PCB。


　　7. 进程上下文环境


　　(1) struct desc_struct *ldt;


　　进程关于CPU段式存储管理的局部描述符表的指针，用于仿真WINE Windows的程序。其他情况下取值NULL，进程的ldt就是arch/i386/traps.c定义的default_ldt。


　　(2) struct thread_struct tss;


　　任务状态段，其内容与INTEL CPU的TSS对应，如各种通用寄存器.CPU调度时，当前运行进程的TSS保存到PCB的tss，新选中进程的tss内容复制到CPU的TSS。结构定义在include/linux/tasks.h中。


　　(3) unsigned long saved_kernel_stack;


　　为MS-DOS的仿真程序(或叫系统调用vm86)保存的堆栈指针。


　　(4) unsigned long kernel_stack_page;


　　在内核态运行时，每个进程都有一个内核堆栈，其基地址就保存在kernel_stack_page中。


　　8. 文件系统数据成员


　　(1) struct fs_struct *fs;


　　fs 保存了进程本身与VFS的关系消息，其中root指向根目录结点，pwd指向当前目录结点，umask给出新建文件的访问模式(可由系统调用umask更 改)，count是Linux保留的属性，如下页图所示。结构定义在include/linux/sched.h中。


　　(2) struct files_struct *files;


　　files包含了进程当前所打开的文件(struct file *fd[NR_OPEN])。在Linux中，一个进程最多只能同时打开NR_OPEN个文件。而且，前三项分别预先设置为标准输入、标准输出和出错消息输出文件。


　　(3) int link_count;


　　文件链(link)的数目。


　　9. 内存数据成员


　　(1) struct mm_struct *mm;


　　在linux 中，采用按需分页的策略解决进程的内存需求。task_struct的数据成员mm指向关于存储管理的mm_struct结构。其中包含了一个虚存队列 mmap，指向由若干vm_area_struct描述的虚存块。同时，为了加快访问速度，mm中的mmap_avl维护了一个AVL树。在树中，所有的 vm_area_struct虚存块均由左指针指向相邻的低虚存块，右指针指向相邻的高虚存块。 结构定义在include/linux/sched.h中。


　　10. 页面管理


　　(1) int swappable:1;


　　进程占用的内存页面是否可换出。swappable为1表示可换出。对该标志的复位和置位均在do_fork()函数中执行(见 kerenl/fork.c)。


　　(2) unsigned long swap_address;


　　虚存地址比swap_address低的进程页面，以前已经换出或已换出过，进程下一次可换出的页面自swap_address开始。参见 swap_out_process()和swap_out_pmd()(见mm/vmscan.c)。


　　(3) unsigned long min_flt，maj_flt;


　　该 进程累计的minor缺页次数和major缺页次数。maj_flt基本与min_flt相同，但计数的范围比后者广(参见fs/buffer.c和 mm/page_alloc.c)。min_flt只在do_no_page()、do_wp_page()里(见mm/memory.c)计数新增的可 以写操作的页面。


　　(4) unsigned long nswap;


　　该进程累计换出的页面数。


　　(5) unsigned long cmin_flt，cmaj_flt，cnswap;


　　以本进程作为祖先的所有层次子进程的累计换入页面、换出页面计数。


　　(6) unsigned long old_maj_flt，dec_flt;


　　(7) unsigned long swap_cnt;


　　下一次信号最多可换出的页数。


　　11. 支持对称多处理器方式(SMP)时的数据成员


　　(1) int processor;


　　进程正在使用的CPU。


　　(2) int last_processor;


　　进程最后一次使用的CPU。


　　(3) int lock_depth;


　　上下文切换时系统内核锁的深度。


　　12. 其它数据成员


　　(1) unsigned short used_math;


　　是否使用FPU。


　　(2) char comm[16];


　　进程正在运行的可执行文件的文件名。


　　(3) struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];


　　结 构rlimit用于资源管理，定义在linux/include/linux/resource.h中，成员共有两项:rlim_cur是资源的当前最大 数目;rlim_max是资源可有的最大数目。在i386环境中，受控资源共有RLIM_NLIMITS项，即10项，定义在 linux/include/asm/resource.h中，见下表:


　　(4) int errno;


　　最后一次出错的系统调用的错误号，0表示无错误。系统调用返回时，全程量也拥有该错误号。


　　(5) long debugreg[8];


　　保存INTEL CPU调试寄存器的值，在ptrace系统调用中使用。


　　(6) struct exec_domain *exec_domain;


　　Linux可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。关于此类程序与Linux程序差异的消息就由 exec_domain结构保存。


　　(7) unsigned long personality;


　　Linux 可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。 Personality进一步描述进程执行的程序属于何种UNIX平台的“个性”信息。通常有PER_Linux、PER_Linux_32BIT、 PER_Linux_EM86、PER_SVR3、PER_SCOSVR3、PER_WYSEV386、PER_ISCR4、PER_BSD、 PER_XENIX和PER_MASK等，参见include/linux/personality.h。


　　(8) struct linux_binfmt *binfmt;


　　指向进程所属的全局执行文件格式结构，共有a。out、script、elf和java等四种。结构定义在include/linux /binfmts.h中(core_dump、load_shlib(fd)、load_binary、use_count)。


　　(9) int exit_code，exit_signal;


　　引起进程退出的返回代码exit_code，引起错误的信号名exit_signal。


　　(10) int dumpable:1;


　　布尔量，表示出错时是否可以进行memory dump。


　　(11) int did_exec:1;


　　按POSIX要求设计的布尔量，区分进程是正在执行老程序代码，还是在执行execve装入的新代码。


　　(12) int tty_old_pgrp;


　　进程显示终端所在的组标识。


　　(13) struct tty_struct *tty;


　　指向进程所在的显示终端的信息。如果进程不需要显示终端，如0号进程，则该指针为空。结构定义在include/linux/tty.h中。


　　(14) struct wait_queue *wait_chldexit;


　　在进程结束时，或发出系统调用wait4后，为了等待子进程的结束，而将自己(父进程)睡眠在该队列上。结构定义在include/linux /wait.h中。


　　13. 进程队列的全局变量


　　(1) current;


　　当前正在运行的进程的指针，在SMP中则指向CPU组中正被调度的CPU的当前进程:


　　#define current(0+current_set[smp_processor_id()])/*sched.h*/


　　struct task_struct *current_set[NR_CPUS];


　　(2) struct task_struct init_task;


　　即0号进程的PCB，是进程的“根”，始终保持初值INIT_TASK。


　　(3) struct task_struct *task[NR_TASKS];


　　进 程队列数组，规定系统可同时运行的最大进程数(见kernel/sched.c)。NR_TASKS定义在include/linux/tasks.h 中，值为512。每个进程占一个数组元素(元素的下标不一定就是进程的pid)，task[0]必须指向init_task(0号进程)。可以通过 task[]数组遍历所有进程的PCB。但Linux也提供一个宏定义for_each_task()(见 include/linux/sched.h)，它通过next_task遍历所有进程的PCB:


　　#define for_each_task(p) \


　　for(p=&init_task;(p=p->next_task)!=&init_task;)


　　(4) unsigned long volatile jiffies;


　　Linux的基准时间(见kernal/sched.c)。系统初始化时清0，以后每隔10ms由时钟中断服务程序do_timer()增1。


　　(5) int need_resched;


　　重新调度标志位(见kernal/sched.c)。当需要Linux调度时置位。在系统调用返回前(或者其它情形下)，判断该标志是否置位。置位的话，马上调用schedule进行CPU调度。


　　(6) unsigned long intr_count;


　　记 录中断服务程序的嵌套层数(见kernal/softirq.c)。正常运行时，intr_count为0。当处理硬件中断、执行任务队列中的任务或者执 行bottom half队列中的任务时，intr_count非0。这时，内核禁止某些操作，例如不允许重新调度。

struct task_struct {

	long state; //任务的运行状态（-1 不可运行，0 可运行(就绪)，>0 已停止）

	long counter; //任务运行时间计数(递减)（滴答数），运行时间片。

	long priority; //运行优先数。任务开始运行时counter=priority，越大运行越长。

	long signal; //信号。是位图，每个比特位代表一种信号，信号值=位偏移值+1。

	struct sigaction;

	struct sigaction[32]; //记录每个信号的安装的信号处理函数的数组，具体作用参见sys_signal()或sys_sigaction()

	long blocked; // 进程信号屏蔽码（对应信号位图）。 

	int exit_code; // 任务执行停止的退出码，其父进程会取 

	unsigned long start_code; //代码段地址。

	unsigned long end_code; //代码长度（字节数） 

	unsigned long end_data; //代码长度 + 数据长度（字节数）

	unsigned long brk; //总长度（字节数）

	unsigned long start_stack; //堆栈段地址。 long pid; //进程标识号(进程号)。

	long father; //父进程号。

	long pgrp; //父进程组号。

	long session; //会话号。 

	long leader; //会话首领 

	unsigned short uid; //用户标识号（用户id）

	unsigned short euid; //有效用户id。

	unsigned short suid; //保存的用户id。

	unsigned short gid; //组标识号（组id）

	unsigned short egid; //有效组id

	unsigned short sgid; //保存的组id

	long alarm; //报警定时值（滴答数）

	long utime; //用户态运行时间（滴答数）

	long stime; //系统态运行时间（滴答数）

	long cutime; //子进程用户态运行时间。

	long cstime; //子进程系统态运行时间

	long start_time; //进程开始运行时刻。 

	unsigned short used_math; //标志：是否使用了协处理器。

	int tty; //进程使用tty 的子设备号。-1 表示没有使用

	unsigned short umask; //文件创建属性屏蔽位。

	struct m_inode * pwd; //当前工作目录i 节点结构。 

	struct m_inode * root; //根目录i 节点结构。

	struct m_inode * executable;//执行文件i 节点结构 

	unsigned long close_on_exec;//执行时关闭文件句柄位图标志

	struct file * filp[NR_OPEN];//文件结构指针表，最多32 项。表项号即是文件描述符的值

	struct desc_struct ldt[3]; //任务局部描述符表。0-空，1-代码段cs，2-数据和堆栈段ds& ss struct tss_

	struct tss; //进程的任务状态段信息结构 

};