浅谈进程与task_struct

          进程的概念

      OS：程序的一个执行实例。正在执行的程序。能分配处理器并由处理器执行的实体。

      内核观点：担任分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

      进程的两个基本元素是程序代码（可能被执行相同程序的其他进程共享）和代码相关联的数据集。进程是一种动态描述，但是并不代表所有的进程都在运行。进程在内存中因策略或调度需求，会处于各种状态，这个我们到后面再来讨论。

      程序与进程的不同

      程序：是硬盘上普通的二进制文件。

      进程：除了加载到内存中的二进制文件外，还附有所有对于该二进制文件描述的结构体。描述该进程的结构体叫进程控制块（PCB）。

      每一个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体，在Linux中，这个结构叫做task_struct。

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

 标识符：描述本进程的唯一标识符，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I/O设备和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，使用的时钟数总和，时间限制，记账号。

      所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里，进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看。要获取PID为400的进程信息，则需要查看/proc/400这个文件夹。

 下面我们来具体研究一下task_struct成员的用法

 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上面所列进程状态的一种。

      TASK_RUNNING表示进程要么正在执行，要么正准备执行。将R状态的进程排列叫做运行队列，但不能说这个进程正在运行，完全取决于调度器调度。

      TASK_INTERRUPTIBLE表示进程被阻塞（睡眠sleep），代码不推进，但再跑睡眠程序，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（disk sleep）的意义与TASK_INTERRUPTIBLE类似，深度睡眠状态，sleep状态可唤醒，这状态无法通过一个信号来唤醒，当一个进程输入输出时会是此状态，不可终止状态，除非关机。

      __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。，也就是说在回收信息之前，要将进程设为Z状态，以便于父进程获取执行的信息退出结果。这个进程将自己的信息保存在PCB中。若不及时回收，则会造成内存泄漏，一般会被父进程来回收。

　   EXIT_DEAD表示进程的最终状态。一旦进程进入这个状态，系统将进行回收操作系统的资源还有进程的数据资源。

      EXIT_ZOMBIE和EXIT_DEAD也可以存放在exit_state成员中。

 2.进程标识符

pid_t pid;  pid_t tgid; 

 在CONFIG_BASE_SMALL配置为0的情况下，PID的取值范围为0到32767，即系统中的进程数最大的为32767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.进程内核符

void *stack;

 进程通过alloc_thread_info函数分配它的内存核，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));  }  

 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，他的值通常与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PerformanceEvent分析进程的性能问题。
 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。

  文章部分转自http://blog.csdn.net/npy_lp/article/details/7292563