【Linux系列】深入理解task_struct结构体

什么是进程

进程是分配系统资源的单位。当一个程序被加载到内存之后并为他分配一个PCB(进程控制块),这时候就称为进程了。在linux中PCB就是一个名字叫做task_struct的结构体,我们叫他”进程描述符”。它里面有进程执行的所有信息，所以CPU对task_struct进行管理就相当于在对进程进行管理。PCB叫做进程控制块，它用来维护进程相关的信息，每个进程都有一个PCB。

task_struct

task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM里并包含进程的信息。每个进程都把它的信息放在task_struct这个数据结构里面，而task_struct包含以下内容：

标示符：描述本进程的唯一标示符，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：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，还有和其他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设备和正在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，使用的时钟总数，时间限制，记账号等。

task_struct的分类

• 调度数据成员
  (1) volatile long states;
  (2) unsigned long flags;
  (3) long priority;
  (4) unsigned long rt_priority;
  (5) long counter;
  (6) unsigned long policy;

• 信号处理
  (1) unsigned long signal;
  (2) unsigned long blocked;
  (3) struct signal_struct *sig;

• 进程队列指针
  (1) struct task_struct *next_task，*prev_task;
  (2) struct task_struct *next_run，*prev_run;
  (3) struct task_struct *p_opptr，*p_pptr;和struct task_struct *p_cptr，*p_ysptr，*p_osptr;

• 进程标识
  (1) unsigned short uid，gid;
  (2) int groups[NGROUPS];
  (3) unsigned short euid，egid;
  (4) unsigned short fsuid，fsgid;
  (5) unsigned short suid，sgid;
  (6) int pid，pgrp，session;
  (7) int leader;

• 时间数据成员
  (1) unsigned long timeout;
  (2) unsigned long it_real_value，it_real_iner;
  (3) struct timer_list real_timer;
  (4) unsigned long it_virt_value，it_virt_incr;
  (5) unsigned long it_prof_value，it_prof_incr;
  (6) long utime，stime，cutime，cstime，start_time;

• 信号量数据成员
  (1) struct sem_undo *semundo;
  (2) struct sem_queue *semsleeping;

• 进程上下文环境
  (1) struct desc_struct *ldt;
  (2) struct thread_struct tss;
  (3) unsigned long saved_kernel_stack;
  (4) unsigned long kernel_stack_page;

• 文件系统数据成员
  (1) struct fs_struct *fs;
  (2) struct files_struct *files;
  (3) int link_count;

• 内存数据成员
  (1) struct mm_struct *mm;

• 页面管理
  (1) int swappable:1;
  (2) unsigned long swap_address;
  (3) unsigned long min_flt，maj_flt;
  (4) unsigned long nswap;
  (5) unsigned long cmin_flt，cmaj_flt，cnswap;
  (6) unsigned long old_maj_flt，dec_flt;
  (7) unsigned long swap_cnt;

• 支持对称多处理器方式(SMP)时的数据成员
  (1) int processor;
  (2) int last_processor;
  (3) int lock_depth;

• 其它数据成员
  (1) unsigned short used_math;
  (2) char comm[16];
  (3) struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];
  (4) int errno;
  (5) long debugreg[8];
  (6) struct exec_domain *exec_domain;
  (7) unsigned long personality;
  (8) struct linux_binfmt *binfmt;
  (9) int exit_code，exit_signal;
  (10) int dumpable:1;
  (11) int did_exec:1;
  (12) int tty_old_pgrp;
  (13) struct tty_struct *tty;
  (14) struct wait_queue *wait_chldexit;

• 进程队列的全局变量
  (1) current;
  (2) struct task_struct init_task;
  (3) struct task_struct *task[NR_TASKS];
  (4) unsigned long volatile jiffies;
  (5) int need_resched;
  (6) unsigned long intr_count;

struct task_struct {
volatile long state;  //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
unsigned long flags;  //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
int sigpending;    //进程上是否有待处理的信号
mm_segment_t addr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
                        //0-0xBFFFFFFF for user-thead
                        //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
volatile long need_resched;
int lock_depth;  //锁深度
long nice;       //进程的基本时间片
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
int processor;
//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
unsigned long sleep_time;  //进程的睡眠时间
//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages;       //指向本地页面      
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal;     //父进程终止时向子进程发送的信号
unsigned long personality;
//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
int did_exec:1; 
pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
pid_t session;  //进程的会话标识
pid_t tgid;
int leader;     //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
struct list_head thread_group;   //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值

//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value
//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
//it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
//当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
//信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
//状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
//it_virt_incr重置初值。
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
struct tms times;      //记录进程消耗的时间
unsigned long start_time;  //进程创建的时间
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; 
//内存缺页和交换信息:
//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
//设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
//在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
//进程认证信息
//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
//euid，egid为有效uid,gid
//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
//系统的访问权限时使用他们。
//suid，sgid为备份uid,gid
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
unsigned short used_math;   //是否使用FPU
char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
 //文件系统信息
int link_count, total_link_count;
//NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//进程间通信信息
struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
//进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
struct thread_struct thread;
  //文件系统信息
struct fs_struct *fs;
  //打开文件信息
struct files_struct *files;
  //信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig; //信号处理函数
sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;

spinlock_t alloc_lock;
void *journal_info;
};