Linux进程管理(一)进程数据结构
Linux进程管理
Linux进程管理(一)进程数据结构
Linux进程管理(二)进程调度
Linux进程管理(三)进程调度之主动调度
Linux进程管理(四)进程调度之抢占式调度
Linux进程管理(一)进程数据结构
文章目录
- Linux进程管理(一)进程数据结构
- 双向链表
- 任务ID
- 信号处理
- 进程状态
- 进程调度
- 运行统计信息
- 进程亲缘关系
- 内存管理
- 文件与文件系统
- 进程内核栈
- 栈结构
- current宏
Linux内核中使用 task_struct
结构来表示一个进程,这个结构体保存了进程的所有信息,所以它非常庞大,在讲解Linux内核的进程管理,我们有必要先分析这个 task_struct
中的各项成员
双向链表
struct list_head tasks;
Linux将所有的 task_struct 串联成一个双向循环链表
任务ID
pid_t pid;
pid_t tgid;struct task_struct *group_leader;
- pid:每个进程都有自己的
pid
,它在内核中是唯一的,在Linux中,我们可以使用ps -ef
查看所有的进程,其中 PID 就是进程号。pid可以给用户查看指定进程的信息,可以通过pid给指定的进程发送信号 - tgid:tigd 是 thread group ID,表示线程组id。thread group 是线程组的意思,所谓的线程组是什么意思呢?内核中不管是线程或者是进程都是使用 task_struct 来表示,一个进程也可以称为主线程,由它创建多个线程,这些线程和进程的主线程就称为一个线程组。每个线程都有自己的pid,而 tgid 则等于进程的主线程的 pid,这样也就可以区分谁是主线程,谁是被主线程创建出来的
- group_leader:指向线程组主线程的进程描述符
通过 getpid 返回的是 tgid,也就是说同一个线程组共享一个 pid
信号处理
/* Signal handlers: */
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;
sigset_t blocked;
sigset_t real_blocked;
sigset_t saved_sigmask;
struct sigpending pending;
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
unsigned int sas_ss_flags;
- blocked:sigset_t 是一个位图,每个位都表示一个信号。blocked 表示的是该进程的哪些信号被阻塞暂不处理
- pending:表示进程接收到了哪些信号,需要被处理
- sighand:用户可以定义相应信号的处理方法,其信息保存在这里
- sas_ss_xxx:信号的处理默认使用的是进程用户空间的函数栈,也可以开辟新的栈专门用于信号处理,这三个变量就是用户维护这个栈信息
在 signal 中,定义了 struct sigpending shared_pending,这个 shared_pending 和 pending 的区别是,pending 表示该 task_struct 收到的信号,而 shared_pending 是整个线程组共享的。也就是说,对于 pending 中接收到的信号,只能由这个 task_struct 来处理,而 shared_pending 中收到的信号,可以由线程组中的任意一个线程处理
进程状态
在 task_struct 中,定义了这样几个变量,与进程的状态有关
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */int exit_state;unsigned int flags;
state 和 exit_state 的定义如下
/* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING 0
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
#define __TASK_STOPPED 4
#define __TASK_TRACED 8
/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD 16
#define EXIT_ZOMBIE 32
#define EXIT_TRACE (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
state相关
- TASK_RUNNING:运行态或就绪态,表示进程正在运行,或者进程处于就绪态位于运行队列中
- TASK_INTERRUPTIBLE:可中断的睡眠态,表示进程正在睡眠等待,睡眠过程中可以被信号唤醒
- TASK_UNINTERRUPTIBLE:不可中断的睡眠态,表示进程正在睡眠等待,并且睡眠过程中不可被信号唤醒。这就意味着,如果有一个进程一直处于这种状态,我们无法使用信号将其杀死,唯一的办法就是重启,所以这个状态较少使用
- __TASK_STOPPED:在进程收到 SIGSTOP、SIGTTIN、SIGTSTP 或者 SIGTTO 等信号的时候,进入该状态
- __TASK_TRACED:进程被另一个进程跟踪的时候,进入此状态
exit_state相关
- EXIT_ZOMBIE:僵尸态,如果一个进程已经死亡,但在内核中的 task_struct 还未被父进程回收,那么进程就会变成僵尸进程
- EXIT_DEAD:最终态,进程的资源被父进程回收后,会从 EXIT_ZOMBIE 变成 EXIT_DEAD
进程的状态转换如下
flags的某些定义如下
#define PF_EXITING 0x00000004
#define PF_VCPU 0x00000010
#define PF_FORKNOEXEC 0x00000040
- PF_EXITING:表示正在退出
- PF_VCPU:表示运行在虚拟CPU上
- PF_FORKNOEXEC:表示 fork 完,还没有调用 exec
进程调度
进程调度相关的变量如下
//是否在运行队列上
int on_rq;
//优先级
int prio;
int static_prio;
int normal_prio;
unsigned int rt_priority;
//调度器类
const struct sched_class *sched_class;
//调度实体
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
struct sched_dl_entity dl;
//调度策略
unsigned int policy;
//可以使用哪些CPU
int nr_cpus_allowed;
cpumask_t cpus_allowed;
struct sched_info sched_info;
- on_rq:表明进程是否在运行队列上
- prio、static_prio、normal_prio、rt_priority:优先级相关的变量
- sched_class:调度类,也就是这个进程采用的调度策略
- se、rt、dl:调度实体,调度类操作的单位
- policy:调度策略,与 sched_class 对应
- nr_cpus_allowed、cpus_allowed:表明进程可以在哪些CPU上运行
运行统计信息
u64 utime;//用户态消耗的CPU时间
u64 stime;//内核态消耗的CPU时间
unsigned long nvcsw;//自愿(voluntary)上下文切换计数
unsigned long nivcsw;//非自愿(involuntary)上下文切换计数
u64 start_time;//进程启动时间,不包含睡眠时间
u64 real_start_time;//进程启动时间,包含睡眠时间
进程亲缘关系
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct __rcu *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 */
进程之间有亲缘关系,所以所有的进程实际上是一棵树,上面说过,进程组成一个双向循环链表,这并不冲突,因为既是双向循环链表,又是一棵树
- parent:指向父进程
- children:所有子进程的组成的链表的链表头
- sibling:兄弟链表,又相当于父进程的 children 链表中的一个节点
所有进程组成的关系如下
real_parent 和 parent 在大多数情况下是一样的,只有在某些特殊情况下才会不一样
内存管理
struct mm_struct *mm;
struct mm_struct *active_mm;
每个进程都有自己独立的地址空间,内核使用了 mm_struct 结构体来管理进程的地址空间
文件与文件系统
/* Filesystem information: */
struct fs_struct *fs;
/* Open file information: */
struct files_struct *files;
每个进程都有一个文件系统的数据结构,就是 fs_struct
每个进程还要维护它所打开的文件,这些信息在 files_struct 中
进程内核栈
栈结构
上面讲解了 task_struct 的大部分成员,下面来讲解进程的内核栈
程序的运行需要使用到栈,所以不管进程是在内核态运行还是在用户态运行都需要用到栈
Linux将进程地址空间分为内核空间和用户空间,它们之间是不能直接访问的,而一个进程某些时候可能在用户态运行,某些时候可能在内核态运行(发生系统调用时),所以一个进程既需要用户栈又需要内核栈
下面就来讲解内核给进程分配的栈结构
在 task_struct 中,有一个变量指向该进程的内核栈,如下
struct task_struct {...void *stack;...
};
内核栈的大小在内核中的定义如下
#define THREAD_SIZE_ORDER 1
#define THREAD_SIZE (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)
一个 PAGE_SIZE 是4K,左移一位就是乘以2,所以 THREAD_SIZE 就是8K,所以大体j结构如下
接下来我们看这8K的空间的结构分布
在这段空间的最底部,存放着一个 struct thread_info 结构体,何以证明呢?
在Linux中有一个 union thread_union 共用体,其定义如下
union thread_union {#ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASKstruct thread_info thread_info;
#endifunsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
其中的 stack 表示栈空间,大小为 THREAD_SIZE 个字节
union 表示是一个共用体,可以看出,thread_info 在位于这个栈的最底部,如下图所示
Linux中发生系统调用时,会从用户态变成内核态,然后执行内核代码,当内核代码执行完之后,又会回到用户态执行用户代码
在进程从用户态变成内核态的时候,内核需要将用户态运行时寄存器的值保存下来,然后修改寄存器,当内核代码执行完之后,又将寄存器的值恢复,这些寄存器的值保存在哪里呢?
在内核栈的最高端,存放着一个 pt_regs 结构,这个结构包含了相关寄存器的定义,用户态寄存器的值就保存在这里,对于X86 32 位其定义如下
struct pt_regs {unsigned long bx;unsigned long cx;unsigned long dx;unsigned long si;unsigned long di;unsigned long bp;unsigned long ax;unsigned long ds;unsigned long es;unsigned long fs;unsigned long gs;unsigned long orig_ax;unsigned long ip;unsigned long cs;unsigned long flags;unsigned long sp;unsigned long ss;
};
此外剩余的空间才是用作函数栈,栈是向下生长的,所以进程的内核栈就变成下面这个样子
接下来看 thread_info 的定义,如下
struct thread_info {struct task_struct *task; /* main task structure */__u32 flags; /* low level flags */__u32 status; /* thread synchronous flags */__u32 cpu; /* current CPU */mm_segment_t addr_limit;unsigned int sig_on_uaccess_error:1;unsigned int uaccess_err:1; /* uaccess failed */
};
thread_info 中有一个变量 task_struct,指向拥有这个内核栈的进程,如下所示
current宏
Linux内核中可以通过 current 宏来获取当前正在运行的进程,它的实现十分巧妙,下面我们一起来看一看
#define get_current() (current_thread_info()->task)
#define current get_current()
current 通过 get_current(),进而调用 current_thread_info()->task
我们看一看 current_thread_info 的定义
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{return (struct thread_info *)(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}
current_stack_pointer 表示当前栈顶寄存器的值,对于 X86 就是 esp,在内核态的时候,current_stack_pointer 表示内核栈中的某一个位置
THREAD_SIZE 我们上面说过是8K,THREAD_SIZE - 1 就是8K剩下的所有位,如下
那么这个操作是什么意思呢?
(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1)
意思就是将 current_stack_pointer 的低12位清空
我们从这个 current_thread_info 函数可以看出,通过这个操作就可以获得 thread_info 对象,这是为什么呢?
这是因为,内核栈在申请的时候,总是 8K 对齐的,也就是说地址的低12位肯定为0
当进程在内核态运行的时候,栈顶指针总是指向这块申请的内核栈中的某一个区域,内核栈的大小最大也就8K,所以将当前栈顶指针的低12位置零就可以得到内核栈的基址
而 thread_info 存在于内核栈的栈底处,所以也就获取到了该进程对应的 thread_info 结构
thread_info 结构中有一个 task_struct* 成员,指向该进程的 task_struct,所以也就可以获得该进程的 task_struct 结构
不禁感叹,Linux内核的实现真是巧妙啊
好了,关于Linux进程的数据结构就介绍到这里了,后面的文章将讲解Linux的进程调度
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