task_struct简要分析

2020年8月18日 | 由 张纪庆 | 4400字 | 阅读大约需要9分钟 | 归档于 进程管理 |

前言

为了管理进程，OS必须对每个进程所作的事情进行清楚地描述，OS使用数据结构来代表处理不同的实体，这个数据结构就是通常所说的进程描述符和进程控制块PCB，在linux中，使用task_struct结构体，每个进程都会被分配一个该结构，包含了进程的所有信息。

注：task_struct结构体被定义在<include/linux/sched.h>中

结构体成员

  1. 进程状态：
    	volatile long state;
 //volatile确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值	
 预定义的状态值：
 /* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING			0x0000 
//进程要么正在执行，要么准备执行
#define TASK_INTERRUPTIBLE		0x0001   
//可中断的睡眠，可以通过一个信号唤醒      
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE		0x0002
//不可中断的睡眠，不可以通过信号进行唤醒
#define __TASK_STOPPED			0x0004
//进程停止执行
#define __TASK_TRACED			0x0008
//进程被追踪
/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD			0x0010
//进程的最终状态，进程死亡
#define EXIT_ZOMBIE			0x0020
//僵尸状态的进程，表示进程被终止，但是父进程还没有获取它的终止信息，比如进程有没有执行完等信息
#define EXIT_TRACE			(EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
/* Used in tsk->state again: */
#define TASK_PARKED			0x0040
#define TASK_DEAD			0x0080
//死亡
#define TASK_WAKEKILL			0x0100
//唤醒并杀死的进程
#define TASK_WAKING			0x0200
//唤醒进程
#define TASK_NOLOAD			0x0400
#define TASK_NEW			0x0800
#define TASK_STATE_MAX			0x1000
  2. 进程标识符：
    	pid_t pid;
	pid_t tgid;

     	每个进程都有自己的pid，每个线程都有自己的线程id（pthread_t类型），但这是在用户空间的层面，而在内核层面中，线程其实就是进程，所以为了更好区分这些概念，一般使用task来指代内核中的进程概念，依旧用进程来指定用户空间层面的进程。

    ​ 那么在内核中，每个线程都是一个task，所以每个线程都有自己的一份task_struct，而且都有自己独特的pid，那么此时tgid是干什么的那？

    ​ 答：是用来说明线程是属于哪一个进程的，一个进程就是一个线程组，所以每个进程的所有线程都有着相同的tgid。当程序开始运行的时候，只有一个主线程，这个主线程的tgid就是pid，而当该主线程创建其他线程的时候，就继承了主线程的tgid。

  3. 进程内核栈：

    ​ 当进程通过系统调用陷入内核时，内核代码所使用的栈并不是用户空间中的栈，而是一个内核空间的栈，也就是进程内核栈，它用于支持系统调用中的函数调用和自动变量，还用于保存一些系统调用前的应用信息，如用户空间栈指针、系统调用参数。

    ​ 每个进程在创建的时候都会得到一个内核栈空间，内核栈和进程的对应关系是通过2个结构体中的指针成员完成的，其中就有tas_struct：这里的stack指向栈底。

    void *stack;
//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，具体函数在fork.c中

    ​ 另外一个是thread_info位于<thread.h>中，保存了线程所需的特定处理器的信息， 也就是进程所依赖体系结构的信息，以及通用的task_struct的指针：

    /*
 * low level task data that entry.S needs immediate access to.
 * __switch_to() assumes cpu_context follows immediately after cpu_domain.
 */
struct thread_info {
    unsigned long        flags;        /* low level flags */
    int            preempt_count;    /* 0 => preemptable, <0 => bug */
    mm_segment_t        addr_limit;    /* address limit */
    struct task_struct    *task;        /* main task structure */
    struct exec_domain    *exec_domain;    /* execution domain */
    __u32            cpu;        /* cpu */
    __u32            cpu_domain;    /* cpu domain */
    struct cpu_context_save    cpu_context;    /* cpu context */
    __u32            syscall;    /* syscall number */
    __u8            used_cp[16];    /* thread used copro */
    unsigned long        tp_value;
    struct crunch_state    crunchstate;
    union fp_state        fpstate __attribute__((aligned(8)));
    union vfp_state        vfpstate;
#ifdef CONFIG_ARM_THUMBEE
    unsigned long        thumbee_state;    /* ThumbEE Handler Base register */
#endif
    struct restart_block    restart_block;
};

其中最关键的是task成员，指向的是所创建的进程struct task_struct结构体
其中的stack成员就是内核栈，也就是说内核栈空间和thread_info是公用一块空间的，
如果内核栈溢出，thread_info就会被摧毁，系统崩溃

    ​ 上述两个结构体通过<sched.h>中的union thread_union联系在一起，代码如下所示：

    union thread_union {
	 #ifndef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
          struct task_struct task;
     #endif
     #ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
          struct thread_info thread_info;
     #endif
          unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
  };
  //这块区域在32为系统上是8K=8192，占两个叶框，64位上通常是16K，其实地址必须是8192的整数倍
架构           THREAD_SIZE               
x86            arch/x86/include/asm/page_32_types.h, line 21
x86_64         arch/x86/include/asm/page_64_types.h, line 11
arm            arch/arm/include/asm/thread_info.h, line 20
arm64          arch/arm64/include/asm/thread_info.h, line 32

    ​ 处于效率考虑，内核让这个union空间占用连续的两个叶框，并让第一个页框的其实地址是213的倍数。下图描述了物理内存中存放两种数据结构的方式，线程描述符驻留在这个内存区的开始，从栈顶末端向下增长。

    • esp寄存器：是CPU栈指针，用来存放栈顶单元的地址，在80x86系统中，栈起始于顶端，并朝着这个内存区开始的方向增长从用户态刚切换到内核态后，进程的内核栈总是空的，因此，esp寄存器指向这个栈的顶端，一旦写入数据，esp的值就递减。

    • thread_info和内核栈共用了thread_union结构，但是thread_info大小固定，存在在联合体的开始部分，而内核栈由高地址向低地址拓展，当内核栈的栈顶到达thread_info的存储空间时，则会发生栈溢出。

    • 系统的current指针指向了当前运行进程的thread_union（或者thread_info）结构。

    • 进程task_struct中的stack指向了进程的thread_union（或者thread_info）的地址，在早期的内核中这个指针用struct thread_info *thread_info来表示，在新的内核中用哪个了更浅显的名字 void *stack，即内核栈。

      内核栈的产生：在进程被创建的时候，fork族的系统调用会分别为内核栈和struct task_struct分配空间，调用过程：

      fork族的系统调用-->do_fork-->copy_process-->dup_task_struct
dup_task_struct函数：
static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
    struct task_struct *tsk;
    struct thread_info *ti;
    unsigned long *stackend;

    int err;

    prepare_to_copy(orig);

    tsk = alloc_task_struct();
    //alloc_task_struct()使用内核的slab分配器去为所要创建的进程分配
    //struct task_struct的空间
    if (!tsk)
        return NULL;

    ti = alloc_thread_info(tsk);
    //alloc_thread_info()：使用内核的伙伴系统去为所要创建的进程分配内核栈，
    //也就是union thread_union空间
    if (!ti) {
        free_task_struct(tsk);
        return NULL;
    }

     err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
    if (err)
        goto out;

    tsk->stack = ti;

    err = prop_local_init_single(&tsk->dirties);
    if (err)
        goto out;

    setup_thread_stack(tsk, orig);
......
注意：
后面的tsk->stack = ti;语句，这就是关联了struct task_struct和内核栈
而在setup_thread_stack(tsk, orig);中，关联了内核栈和struct task_struct：
static inline void setup_thread_stack(struct task_struct *p, struct task_struct *org)
{
    *task_thread_info(p) = *task_thread_info(org);
    task_thread_info(p)->task = p;
}
  4. 标记：

    ​ 反应进程的状态信息，用于内核识别当前的状态

    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 */
    状态 描述
    PF_FORKNOEXEC 表示进程刚被创建，但还没有执行
    PF_SUPERPRIV 表示进程拥有超级用户特权
    PF_SIGNALED 表示进程被信号杀出
    PF_EXITING 表示进程开始关闭
  5. 进程亲属关系的成员：
    	struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
//real_parent指向父进程，如果创建它的父进程不在存在，则指向PID为1的init进程
 	struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
//parent指向父进程，当它终止时，必须向父进程发送信号，通常与real_parent相同
 	struct list_head children;	/* list of my children */
//表示链表的头部，链表中的所有元素都是他的子进程
	struct list_head sibling;	/* linkage in my parent's children list */
//sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中
 	struct task_struct *group_leader;	/* threadgroup leader */
//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，表示不需要被追踪，可能的取值有：
/* 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：是随着linux内核代码一同发布和维护的性能诊断工具
    #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
参考网站：
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf1/index.html?ca=drs-#major1
    https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf2/index.html?ca=drs-#major1
  8. 进程调度
    	int prio, static_prio, normal_prio;
 //prio用于保存动态优先级
 //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
 //normal_prio的值取决于静态优先级和调度策略

 	unsigned int rt_priority;
 //用于保存实时优先级

 	const struct sched_class *sched_class;
 //内核抽象出一个调度类(struct sched_class)，它只是向调度器声明一组函数指针，
 //不同的类各自去实现，由调度器统一调度
//内核中的调度类有：
/* 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;

	struct sched_entity se;
 //使用cfs调度，一般是普通进程使用

 	struct sched_rt_entity rt;
//使用rt调度，一般是实时进程调用
//注意：se和rt都是调用实体，每个进程都有其中之一的实体
   	unsigned int policy;
 //表示进程的调度策略，主要有：
 #define SCHED_NORMAL		0  //用于普通进程，通过cfs调度器实现
#define SCHED_FIFO		1          //先入先出调度算法，实时调度策略
#define SCHED_RR		2          //轮转调度算法，也是实时调度策略
#define SCHED_BATCH		3  //用户非交互的处理器消耗型进程
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */
#define SCHED_IDLE		5         //在系统负载很低时使用

 	cpumask_t cpus_allowed;
//用户控制进程可以在那个处理器上运行

    ​ 实时优先级是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的优先级范围是从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)
  9. 时间数据：

    ​ 一个进程从创建到终止叫做进程的生存期，进程在其生存期内使用CPU时间，内核都需要进行记录，进程耗费的时间分为两部分，一部分是用户模式下耗费的时间，一部分是在系统模式下耗费的时间。

    cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
    cputime_t gtime;
    cputime_t prev_utime, prev_stime;//记录当前的运行时间（用户态和内核态）
    unsigned long nvcsw, nivcsw; //自愿/非自愿上下文切换计数
    struct timespec start_time;  //进程的开始执行时间    
    struct timespec real_start_time;  //进程真正的开始执行时间
    unsigned long min_flt, maj_flt;
    struct task_cputime cputime_expires;//cpu执行的有效时间
    struct list_head cpu_timers[3];//用来统计进程或进程组被处理器追踪的时间
    struct list_head run_list;
    unsigned long timeout;//当前已使用的时间（与开始时间的差值）
    unsigned int time_slice;//进程的时间片的大小
    int nr_cpus_allowed;
  10. 文件系统信息:
    /* filesystem information */
    struct fs_struct *fs;//文件系统的信息的指针
/* open file information */
    struct files_struct *files;//打开文件的信息指针
  11. 信号处理信息：
    /* Signal handlers: */
    struct signal_struct            *signal;
//指向进程信号描述符
    struct sighand_struct           *sighand;
//指向进程信号处理程序描述符
    sigset_t                        blocked;
    sigset_t                        real_blocked;
//阻塞信号的掩码
/* Restored if set_restore_sigmask() was used: */
    sigset_t                        saved_sigmask;
    struct sigpending               pending;
//进程上还需要处理的信号
    unsigned long                   sas_ss_sp;
//信号处理程序备用堆栈的地址
    size_t                          sas_ss_size;
//信号处理程序的堆栈的地址
    unsigned int                    sas_ss_flags;

结语

​ task_struct中有非常多的成员，这仅仅是其中的一部分，随着学习的不断深入，会接触和学习更多的结构体成员。

分类