进程管理—进程描述符（task_struct）
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;`
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