task_struct 结构描述

本文转载自http://blog.csdn.net/npy_lp/article/details/7292563

    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http://blog.csdn.net/npy_lp/article/details/7292563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 

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1. volatile long state;  
2. int exit_state;  

    state成员的可能取值如下： 

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1. #define TASK_RUNNING        0  
2. #define TASK_INTERRUPTIBLE  1  
3. #define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2  
4. #define __TASK_STOPPED      4  
5. #define __TASK_TRACED       8  
6. /* in tsk->exit_state */  
7. #define EXIT_ZOMBIE     16  
8. #define EXIT_DEAD       32  
9. /* in tsk->state again */  
10. #define TASK_DEAD       64  
11. #define TASK_WAKEKILL       128  
12. #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） 

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1. pid_t pid;  
2. 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。 

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1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/threads.h */  
2. #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 

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1. 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。 

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1. /* linux-2.6.38.8/kernel/fork.c */   
2. static inline struct thread_info *alloc_thread_info(struct task_struct *tsk)  
3. {  
4. #ifdef CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE  
5.     gfp_t mask = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO;  
6. #else  
7.     gfp_t mask = GFP_KERNEL;  
8. #endif  
9.     return (struct thread_info *)__get_free_pages(mask, THREAD_SIZE_ORDER);  
10. }  
11. static inline void free_thread_info(struct thread_info *ti)  
12. {  
13.     free_pages((unsigned long)ti, THREAD_SIZE_ORDER);  
14. }  

    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。 

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1. union thread_union {  
2.     struct thread_info thread_info;  
3.     unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];  
4. };  

    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。 

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1. /* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/current.h */  
2. static inline struct task_struct *get_current(void)  
3. {  
4.     return current_thread_info()->task;  
5. }  
6.   
7. #define current (get_current())  
8.   
9. /* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h */   
10. static inline struct thread_info *current_thread_info(void)  
11. {  
12.     register unsigned long sp asm ("sp");  
13.     return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));  
14. }  

    进程内核栈与进程描述符的关系如下图：

 

    4、标记 

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

    flags成员的可能取值如下： 

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1. #define PF_KSOFTIRQD    0x00000001  /* I am ksoftirqd */  
2. #define PF_STARTING 0x00000002  /* being created */  
3. #define PF_EXITING  0x00000004  /* getting shut down */  
4. #define PF_EXITPIDONE   0x00000008  /* pi exit done on shut down */  
5. #define PF_VCPU     0x00000010  /* I'm a virtual CPU */  
6. #define PF_WQ_WORKER    0x00000020  /* I'm a workqueue worker */  
7. #define PF_FORKNOEXEC   0x00000040  /* forked but didn't exec */  
8. #define PF_MCE_PROCESS  0x00000080      /* process policy on mce errors */  
9. #define PF_SUPERPRIV    0x00000100  /* used super-user privileges */  
10. #define PF_DUMPCORE 0x00000200  /* dumped core */  
11. #define PF_SIGNALED 0x00000400  /* killed by a signal */  
12. #define PF_MEMALLOC 0x00000800  /* Allocating memory */  
13. #define PF_USED_MATH    0x00002000  /* if unset the fpu must be initialized before use */  
14. #define PF_FREEZING 0x00004000  /* freeze in progress. do not account to load */  
15. #define PF_NOFREEZE 0x00008000  /* this thread should not be frozen */  
16. #define PF_FROZEN   0x00010000  /* frozen for system suspend */  
17. #define PF_FSTRANS  0x00020000  /* inside a filesystem transaction */  
18. #define PF_KSWAPD   0x00040000  /* I am kswapd */  
19. #define PF_OOM_ORIGIN   0x00080000  /* Allocating much memory to others */  
20. #define PF_LESS_THROTTLE 0x00100000 /* Throttle me less: I clean memory */  
21. #define PF_KTHREAD  0x00200000  /* I am a kernel thread */  
22. #define PF_RANDOMIZE    0x00400000  /* randomize virtual address space */  
23. #define PF_SWAPWRITE    0x00800000  /* Allowed to write to swap */  
24. #define PF_SPREAD_PAGE  0x01000000  /* Spread page cache over cpuset */  
25. #define PF_SPREAD_SLAB  0x02000000  /* Spread some slab caches over cpuset */  
26. #define PF_THREAD_BOUND 0x04000000  /* Thread bound to specific cpu */  
27. #define PF_MCE_EARLY    0x08000000      /* Early kill for mce process policy */  
28. #define PF_MEMPOLICY    0x10000000  /* Non-default NUMA mempolicy */  
29. #define PF_MUTEX_TESTER 0x20000000  /* Thread belongs to the rt mutex tester */  
30. #define PF_FREEZER_SKIP 0x40000000  /* Freezer should not count it as freezable */  
31. #define PF_FREEZER_NOSIG 0x80000000 /* Freezer won't send signals to it */  

    5、表示进程亲属关系的成员 

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1. struct task_struct *real_parent; /* real parent process */  
2. struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */  
3. struct list_head children;  /* list of my children */  
4. struct list_head sibling;   /* linkage in my parent's children list */  
5. 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 

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1. unsigned int ptrace;  
2. struct list_head ptraced;  
3. struct list_head ptrace_entry;  
4. unsigned long ptrace_message;  
5. siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */  
6. ifdef CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT  
7. atomic_t ptrace_bp_refcnt;  
8. 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： 

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

    7、Performance Event 

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1. #ifdef CONFIG_PERF_EVENTS  
2.     struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];  
3.     struct mutex perf_event_mutex;  
4.     struct list_head perf_event_list;  
5. #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 

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1. int prio, static_prio, normal_prio;  
2. unsigned int rt_priority;  
3. const struct sched_class *sched_class;  
4. struct sched_entity se;  
5. struct sched_rt_entity rt;  
6. unsigned int policy;  
7. 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。 

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1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h */  
2. #define MAX_USER_RT_PRIO    100  
3. #define MAX_RT_PRIO     MAX_USER_RT_PRIO  
4.   
5. #define MAX_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 40)  
6. #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： 

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1. #define SCHED_NORMAL        0  
2. #define SCHED_FIFO      1  
3. #define SCHED_RR        2  
4. #define SCHED_BATCH     3  
5. /* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */  
6. #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： 

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1. /* linux-2.6.38.8/kernel/sched_fair.c */   
2. static const struct sched_class fair_sched_class;  
3. /* linux-2.6.38.8/kernel/sched_rt.c */  
4. static const struct sched_class rt_sched_class;  
5. /* linux-2.6.38.8/kernel/sched_idletask.c */  
6. static const struct sched_class idle_sched_class;  
7. /* linux-2.6.38.8/kernel/sched_stoptask.c */  
8. 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。