Linux进程中task_struct结构体

一、进程的定义：

①正在执行的程序；
②正在计算机上执行的实例；
③能分配给处理器并由处理器可以执行的实体。
④具有以下特征的活动单元：
一组指令序列的执行、一个当前状态和相关的系统资源。
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，因为是只读的）和代码相关联的数据集。
可以说：进程是由程序代码和相关数据还有程序控制块组成。

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。

二、task_struct结构体

 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。

task_struct都可能包含哪些成员信息？

1.进程状态，记录进程在等待，运行，或死锁
2.调度信息，由哪个调度函数调度，怎样调度等
3.进程的通讯状态
4.因为要插入进程树，必须有联系父子兄弟的指针，当然是tast_struct型
5.时间信息，比如计算好执行的时间以便cpu分配
6.标号，决定进程归属
7.可以读写打开的一些文件信息
8.进程上下文和内核上下文
9.处理器上下文
10.内存信息
因为每一个PCB都是这样的，只有这些结构，才能满足一个进程的所有要求，它定义在linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h文件中。
本文就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;

2.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。

对上述信息进行简要描述：

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。

3、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。

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。

/* 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));
}

5.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 */

6、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。

也就是说：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。

7、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

8、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。
9、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。

三、task_struct结构体的成员信息：

struct task_struct {
volatile long state;  //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
unsigned long flags;  //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
int sigpending;    //进程上是否有待处理的信号
mm_segment_t addr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同//0-0xBFFFFFFF for user-thead//0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
volatile long need_resched;
int lock_depth;  //锁深度
long nice;       //进程的基本时间片
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
int processor;
//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
unsigned long sleep_time;  //进程的睡眠时间
//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages;       //指向本地页面
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal;     //父进程终止是向子进程发送的信号
unsigned long personality;
//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
int did_exec:1;
pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
pid_t session;  //进程的会话标识
pid_t tgid;
int leader;     //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
struct list_head thread_group;   //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value
//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
//it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
//当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
//信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
//状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
//it_virt_incr重置初值。
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
struct tms times;      //记录进程消耗的时间
unsigned long start_time;  //进程创建的时间
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
//内存缺页和交换信息:
//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
//设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
//在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
//进程认证信息
//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
//euid，egid为有效uid,gid
//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
//系统的访问权限时使用他们。
//suid，sgid为备份uid,gid
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
unsigned short used_math;   //是否使用FPU
char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名//文件系统信息
int link_count, total_link_count;//NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//进程间通信信息
struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
//进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
struct thread_struct thread;//文件系统信息
struct fs_struct *fs;//打开文件信息
struct files_struct *files;//信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig; //信号处理函数
sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;spinlock_t alloc_lock;
void *journal_info;
};

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