Linux进程描述符：task_struct结构体
浅析task_struct结构体
1、简介
1.1进程
1.1.1进程的概念
我们知道操作系统最核心的概念就是进程。
其实进程简单来说就是在操作系统中运行的程序，它是操作系统资源管理的最小单位。
进程是一个动态的实体，它是程序的一次执行过程。
进程和程序的区别在于：进程是动态的，程序是静态的，进程是运行中的程序，而程序是一些保存在硬盘上的可执行代码。
在Linux下面，可以通过命令ps或pstree查看当前系统中的进程。
1.1.2进程的结构。
Linux进程结构：可由三部分组成：代码段、数据段、堆栈段。也就是程序、数据、进程控制块PCB（Process Control Block进程控制块）组成。进程控制块是进程存在的惟一标识，系统通过PCB的存在而感知进程的存在。
这个PCD数据结构是一种结构体，由操作系统创建和管理，下面我们来了解下tast_struct结构体是如何来通过进程控制块对进程进行控制和调控的。
2、task_struct源码成员解析
2.1、task_struct源码
Linux内核通过一个被称为进程描述符的task_struct结构体来管理进程，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。
http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched.h
2.2、task_struct源码成员分析
2.2.1进程状态：
volatile long state;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */这个是进程的运行时状态，-1代表不可运行，0代表可运行，>0代表已停止。
volatile关键字是降低编译器对代码的优化，是state变量一直从变量的内存中读取内容而不是寄存器；从而保证对操作系统状态实时访问的稳定性。
state成员的可能取值如下：
/*
* Task state bitmask. NOTE! These bits are also
* encoded in fs/proc/array.c: get_task_state().
*
* We have two separate sets of flags: task->state
* is about runnability, while task->exit_state are
* about the task exiting. Confusing, but this way
* modifying one set can't modify the other one by
* mistake.
*/
#define TASK_RUNNING 0
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
#define TASK_STOPPED 4
#define TASK_TRACED 8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_DEAD 16
#define EXIT_ZOMBIE 32
#define EXIT_TRACE (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD 64
#define TASK_WAKEKILL 128 /** wake on signals that are deadly **/
#define TASK_WAKING 256
#define TASK_PARKED 512
#define TASK_NOLOAD 1024
#define TASK_STATE_MAX 2048
/* Convenience macros for the sake of set_task_state */
#define TASK_KILLABLE (TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE)
#define TASK_STOPPED (TASK_WAKEKILL | __TASK_STOPPED)
#define TASK_TRACED (TASK_WAKEKILL | __TASK_TRACED)介绍几种常用的取值
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| TASK_RUNNING | 表示进程要么正在执行，要么正要准备执行 |
| TASK_INTERRUPTIBLE | 进程因为等待某些条件处于阻塞（挂起的状态），一旦等待的条件成立，进程便会从该状态转化成就绪状态 |
| TASK_UNINTERRUPTIBLE | 与TASK_INTERRUPTIBLE类似，但是我们传递任意信号等不能唤醒他们，只有它所等待的资源可用的时候，他才会被唤醒。 |
| TASK_STOPPED | 进程被停止执行 |
| TASK_TRACED | 进程被debugger等进程所监视。 |
| EXIT_DEAD | 表示进程的最终状态。 |
| EXIT_ZOMBIE | 进程的执行被终止，但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息，此时进程成为僵尸进程 |
2.2.2进程标识符（PID）
pid_t pid; //进程的标识符
pid_t tgid; //线程组标识符Unix系统通过pid来标识进程，linux把不同的pid与系统中每个进程或轻量级线程关联，而unix程序员希望同一组线程具有共同的pid，遵照这个标准linux引入线程组的概念。一个线程组所有线程与领头线程具有相同的pid，存入tgid字段，getpid()返回当前进程的tgid值而不是pid的值。
它的引入是为了区别每个进程；tgid的引入是由于Unix程序员希望同一组线程具有相同的pid所以就引入了tgid。
2.2.3进程标记符
unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ flags反应进程的状态信息（不是运行状态），用于内核识别当前进程的状态。
取值范围如下
/*
* Per process flags
*/
#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_WQ_WORKER 0x00000020 /* I'm a workqueue worker */
#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_NPROC_EXCEEDED 0x00001000 /* set_user noticed that RLIMIT_NPROC was exceeded */
#define PF_USED_MATH 0x00002000 /* if unset the fpu must be initialized before use */
#define PF_USED_ASYNC 0x00004000 /* used async_schedule*(), used by module init */
#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_MEMALLOC_NOIO 0x00080000 /* Allocating memory without IO involved */
#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_NO_SETAFFINITY 0x04000000 /* Userland is not allowed to meddle with cpus_allowed */
#define PF_MCE_EARLY 0x08000000 /* Early kill for mce process policy */
#define PF_MUTEX_TESTER 0x20000000 /* Thread belongs to the rt mutex tester */
#define PF_FREEZER_SKIP 0x40000000 /* Freezer should not count it as freezable */
#define PF_SUSPEND_TASK 0x80000000 /* this thread called freeze_processes and should not be frozen */介绍几种常用取值
| 状态 | 取值 |
|---|---|
| PF_FORKNOEXEC | 表示进程刚被创建，但还没有执行 |
| PF_SUPERPRIV | 表示进程拥有超级用户特权 |
| PF_SIGNALED | 表示进程被信号杀出 |
| PF_EXITING | 表示进程开始关闭 |
2.2.4进程标记符
unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ 反应进程状态的信息，但不是运行状态，用于内核识别进程当前的状态，以备下一步操作
2.2.5表示进程亲属关系的成员
/*
* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with
* p->real_parent->pid)
*/
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
/*
* children/sibling forms the list of my natural children
*/
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。
| 成员 | 描述 |
|---|---|
| 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 |
| Pparent | 指向当前进程的父进程，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 | 链表的头部，链表中的所有元素都是它的子进程 |
| sibling | 把当前进程插入到兄弟链表中 |
| group_leader | 指向其进程组的领头进程 |
2.2.6ptrace系统调用
Ptrace提供了一种父进程，它可以被用来控制子进程的运行，常被用来进行断点调试，当它被设置为0时表示不需要追踪。
/*
* Ptrace flags
*
* The owner ship rules for task->ptrace which holds the ptrace
* flags is simple. When a task is running it owns it's task->ptrace
* flags. When the a task is stopped the ptracer owns task->ptrace.
*/
#define PT_SEIZED 0x00010000 /* SEIZE used, enable new behavior */
#define PT_PTRACED 0x00000001
#define PT_DTRACE 0x00000002 /* delayed trace (used on m68k, i386) */
#define PT_PTRACE_CAP 0x00000004 /* ptracer can follow suid-exec */
#define PT_OPT_FLAG_SHIFT 3
/* PT_TRACE_* event enable flags */
#define PT_EVENT_FLAG(event) (1 << (PT_OPT_FLAG_SHIFT + (event)))
#define PT_TRACESYSGOOD PT_EVENT_FLAG(0)
#define PT_TRACE_FORK PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_FORK)
#define PT_TRACE_VFORK PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_VFORK)
#define PT_TRACE_CLONE PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_CLONE)
#define PT_TRACE_EXEC PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_EXEC)
#define PT_TRACE_VFORK_DONE PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE)
#define PT_TRACE_EXIT PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_EXIT)
#define PT_TRACE_SECCOMP PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_SECCOMP)
#define PT_EXITKILL (PTRACE_O_EXITKILL << PT_OPT_FLAG_SHIFT)
#define PT_SUSPEND_SECCOMP (PTRACE_O_SUSPEND_SECCOMP << PT_OPT_FLAG_SHIFT)
/* single stepping state bits (used on ARM and PA-RISC) */
#define PT_SINGLESTEP_BIT 31
#define PT_SINGLESTEP (1<
#define PT_BLOCKSTEP_BIT 30
#define PT_BLOCKSTEP (1< 2.2.7优先级
int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;| 成员 | 描述 |
|---|---|
| static_prio | 用来保存静态优先级，可以调用nice系统直接来修改取值范围为100~139 |
| rt_priority | 用来保存实时优先级,取值范围为0~99 |
| prio | 用来保存动态优先级 |
| normal_prio | 它的值取决于静态优先级和调度策略 |
2.2.8进程地址空间
进程都拥有自己的资源，这些资源指的就是进程的地址空间，每个进程都有着自己的地址空间，在task_struct中，有关进程地址空间的定义如下：
struct mm_struct *mm, *active_mm;
/* per-thread vma caching */
u32 vmacache_seqnum;
struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE];
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
struct task_rss_stat rss_stat;
#endif
/* http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched.h?V=4.5#L1484 */
#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
unsigned brk_randomized:1;
#endif| 成员 | 描述 |
|---|---|
| mm | 进程所拥有的内存空间描述符，对于内核线程的mm为NULL |
| active_mm | 指进程运行时所使用的进程描述符 |
| rss_stat | 被用来记录缓冲信息 |
总结：到这里，我们已经看到了很多的字段，但这些字段只是task_struct的冰山一角，如果还有兴趣可以通过阅读源码分析。