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  • Linux下的进程控制块task_struct结构体

    1.什么是进程

    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它进程共享)和代码相关联的数据集。进程是一种动态描述,可以看看成是在内存中正在进行的程序,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)广义上,所有的进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中,可以理解为进程属性的集合。

    2.进程控制块

    每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,因为我们需要知道系统正在执行那个进程,执行完这个进程又会去执行哪一个进程,他什么时候被打断,又什么时候继续,所以我们就引入了进程控制块,用来保存进程信息,Linux的进程控制块就是task_struct结构体。下面就来简单介绍一下这个结构体中的成员和其作用。

    3.task_struct结构体中的成员

    <1>首先我们来了解一下,task_struct结构体中都有哪些内容

    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:相对于其它进程的优先级。
    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设和被进程使用的文件列表。
    记账信息:可能包括处理器的综合,使用的是帧数综合,时间限制,记账号等。

    在Centos6.5中这个结构体在/usr/include/linux/sched.h的文件里(在管理员权限下)。

    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//表示进程正在进行,要么准备进行
    #define TASK_TNTERRUPTIBLE  1//表示进程被阻塞(睡眠),直到某个条件为真,条件一旦达成,进程的状态机被设置为TASK_RUNNING.
    #define TASK_UNINTERRUPTIBLE  2//与上面那个的功能类似,但是不能通过接受一个信号来唤醒。
    #define __TASK_STOPPED  4//表示进程被停止执行。
    #define __TASK_TRACED   8//表示进程被debugger等进程监视。
    /* in tsk->state again */
    #definr EXIT_ZOMBIE  16//表示进程的执行被终止,但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知他的终止信息。
    #define EXIT_DEAD  32 //表示进程的最终状态
    /* in tsk->state again */
    #define TASK_DEAD  64
    #define TASK_WAKEKILL  128
    #define TASK_WAKING   256

    系统的每个进程都必然出于以上所列进程中的一种。

    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,即系统进程数最大为32768个。如下
    /* /usr/include/liux/threds.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的领头线程相同的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.标记

    unsigned int flags;
    //flags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 */ 

    4.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。
    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);  
    }  
    // 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。 
    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));  
    }  
    

    进程内核栈与进程标识符的关系如图所示
    这里写图片描述

    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: 
    
    #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.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。 
      #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:

    static const struct sched_class fair_sched_class;  
    static const struct sched_class rt_sched_class;    
    static const struct sched_class idle_sched_class;  
    static const struct sched_class stop_sched_class;  
    
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