Linux进程管理之task_struct结构体（上）

    内核源码：linux-2.6.38.8.tar.bz2

    目标平台：ARM体系结构

 

    进程是处于执行期的程序以及它所管理的资源（如打开的文件、挂起的信号、进程状态、地址空间等等）的总称。注意，程序并不是进程，实际上两个或多个进程不仅有可能执行同一程序，而且还有可能共享地址空间等资源。

    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。

    本文将尽力就task_struct结构体所有成员的用法进行简要说明。

    1、进程状态 

	volatile long state;
	int exit_state;

    state成员的可能取值如下： 

#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_ZOMBIE		16
#define EXIT_DEAD		32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD		64
#define TASK_WAKEKILL		128
#define TASK_WAKING		256

    系统中的每个进程都必然处于以上所列进程状态中的一种。

    TASK_RUNNING表示进程要么正在执行，要么正要准备执行。

    TASK_INTERRUPTIBLE表示进程被阻塞（睡眠），直到某个条件变为真。条件一旦达成，进程的状态就被设置为TASK_RUNNING。

    TASK_UNINTERRUPTIBLE的意义与TASK_INTERRUPTIBLE类似，除了不能通过接受一个信号来唤醒以外。

    __TASK_STOPPED表示进程被停止执行。

    __TASK_TRACED表示进程被debugger等进程监视。

    EXIT_ZOMBIE表示进程的执行被终止，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。

    EXIT_DEAD表示进程的最终状态。

    EXIT_ZOMBIE和EXIT_DEAD也可以存放在exit_state成员中。进程状态的切换过程和原因大致如下图（图片来自《Linux Kernel Development》）：

 

    2、进程标识符（PID） 

	pid_t pid;
	pid_t tgid;

    在CONFIG_BASE_SMALL配置为0的情况下，PID的取值范围是0到32767，即系统中的进程数最大为32768个。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/threads.h */
#define PID_MAX_DEFAULT (CONFIG_BASE_SMALL ? 0x1000 : 0x8000)

    在Linux系统中，一个线程组中的所有线程使用和该线程组的领头线程（该组中的第一个轻量级进程）相同的PID，并被存放在tgid成员中。只有线程组的领头线程的pid成员才会被设置为与tgid相同的值。注意，getpid()系统调用返回的是当前进程的tgid值而不是pid值。

    3、进程内核栈 

	void *stack;

    进程通过alloc_thread_info函数分配它的内核栈，通过free_thread_info函数释放所分配的内核栈。 

/* linux-2.6.38.8/kernel/fork.c */ 
static inline struct thread_info *alloc_thread_info(struct task_struct *tsk)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE
	gfp_t mask = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO;
#else
	gfp_t mask = GFP_KERNEL;
#endif
	return (struct thread_info *)__get_free_pages(mask, THREAD_SIZE_ORDER);
}
static inline void free_thread_info(struct thread_info *ti)
{
	free_pages((unsigned long)ti, THREAD_SIZE_ORDER);
}

    其中，THREAD_SIZE_ORDER宏在linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h文件中被定义为1，也就是说alloc_thread_info函数通过调用__get_free_pages函数分配2个页的内存（它的首地址是8192字节对齐的）。

    Linux内核通过thread_union联合体来表示进程的内核栈，其中THREAD_SIZE宏的大小为8192。 

union thread_union {
	struct thread_info thread_info;
	unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

    当进程从用户态切换到内核态时，进程的内核栈总是空的，所以ARM的sp寄存器指向这个栈的顶端。因此，内核能够轻易地通过sp寄存器获得当前正在CPU上运行的进程。 

/* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/current.h */
static inline struct task_struct *get_current(void)
{
	return current_thread_info()->task;
}

#define current (get_current())

/* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h */ 
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
	register unsigned long sp asm ("sp");
	return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

    进程内核栈与进程描述符的关系如下图：

 

    4、标记 

	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */

    flags成员的可能取值如下： 

#define PF_KSOFTIRQD	0x00000001	/* I am ksoftirqd */
#define PF_STARTING	0x00000002	/* being created */
#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_USED_MATH	0x00002000	/* if unset the fpu must be initialized before use */
#define PF_FREEZING	0x00004000	/* freeze in progress. do not account to load */
#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_OOM_ORIGIN	0x00080000	/* Allocating much memory to others */
#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_SPREAD_PAGE	0x01000000	/* Spread page cache over cpuset */
#define PF_SPREAD_SLAB	0x02000000	/* Spread some slab caches over cpuset */
#define PF_THREAD_BOUND	0x04000000	/* Thread bound to specific cpu */
#define PF_MCE_EARLY    0x08000000      /* Early kill for mce process policy */
#define PF_MEMPOLICY	0x10000000	/* Non-default NUMA mempolicy */
#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_FREEZER_NOSIG 0x80000000	/* Freezer won't send signals to it */

    5、表示进程亲属关系的成员 

	struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
	struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
	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。

    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。

    parent指向其父进程，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用于把当前进程插入到兄弟链表中。

    group_leader指向其所在进程组的领头进程。

    6、ptrace系统调用 

	unsigned int ptrace;
	struct list_head ptraced;
	struct list_head ptrace_entry;
	unsigned long ptrace_message;
	siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */
#ifdef CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT
	atomic_t ptrace_bp_refcnt;
#endif

    成员ptrace被设置为0时表示不需要被跟踪，它的可能取值如下： 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/ptrace.h */
#define PT_PTRACED	0x00000001
#define PT_DTRACE	0x00000002	/* delayed trace (used on m68k, i386) */
#define PT_TRACESYSGOOD	0x00000004
#define PT_PTRACE_CAP	0x00000008	/* ptracer can follow suid-exec */
#define PT_TRACE_FORK	0x00000010
#define PT_TRACE_VFORK	0x00000020
#define PT_TRACE_CLONE	0x00000040
#define PT_TRACE_EXEC	0x00000080
#define PT_TRACE_VFORK_DONE	0x00000100
#define PT_TRACE_EXIT	0x00000200

    7、Performance Event 

#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
	struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];
	struct mutex perf_event_mutex;
	struct list_head perf_event_list;
#endif

    Performance Event是一款随 Linux 内核代码一同发布和维护的性能诊断工具。这些成员用于帮助PerformanceEvent分析进程的性能问题。

    关于Performance Event工具的介绍可参考文章http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf1/index.html?ca=drs-#major1和http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf2/index.html?ca=drs-#major1。

    8、进程调度 

	int prio, static_prio, normal_prio;
	unsigned int rt_priority;
	const struct sched_class *sched_class;
	struct sched_entity se;
	struct sched_rt_entity rt;
	unsigned int policy;
	cpumask_t cpus_allowed;

    实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1（即100到139）。值越大静态优先级越低。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h */
#define MAX_USER_RT_PRIO	100
#define MAX_RT_PRIO		MAX_USER_RT_PRIO

#define MAX_PRIO		(MAX_RT_PRIO + 40)
#define DEFAULT_PRIO		(MAX_RT_PRIO + 20)

    static_prio用于保存静态优先级，可以通过nice系统调用来进行修改。

    rt_priority用于保存实时优先级。

    normal_prio的值取决于静态优先级和调度策略。

    prio用于保存动态优先级。

    policy表示进程的调度策略，目前主要有以下五种： 

#define SCHED_NORMAL		0
#define SCHED_FIFO		1
#define SCHED_RR		2
#define SCHED_BATCH		3
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */
#define SCHED_IDLE		5

    SCHED_NORMAL用于普通进程，通过CFS调度器实现。SCHED_BATCH用于非交互的处理器消耗型进程。SCHED_IDLE是在系统负载很低时使用。

    SCHED_FIFO（先入先出调度算法）和SCHED_RR（轮流调度算法）都是实时调度策略。

    sched_class结构体表示调度类，目前内核中有实现以下四种： 

/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_fair.c */ 
static const struct sched_class fair_sched_class;
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_rt.c */
static const struct sched_class rt_sched_class;
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_idletask.c */
static const struct sched_class idle_sched_class;
/* linux-2.6.38.8/kernel/sched_stoptask.c */
static const struct sched_class stop_sched_class;

    se和rt都是调用实体，一个用于普通进程，一个用于实时进程，每个进程都有其中之一的实体。

    cpus_allowed用于控制进程可以在哪里处理器上运行。