精通Linux内核开发最新章节_拉古·巴拉德瓦杰著

1.2　进程描述符

从一个进程诞生到退出的时间里，内核的进程管理子系统执行了各种操作，从进程创建、分配CPU时间、事件通知到进程终止时销毁进程。

除了地址空间之外，一个进程在内存中还被分配了一个称为进程描述符的数据结构，内核用它来识别、管理和调度该进程。图1-4描述了内核中的进程地址空间及其进程描述符。

图1-4

在Linux中，一个进程描述符是<linux/sched.h>中定义的struct task_struct类型的一个实例，它是核心数据结构之一，包含一个进程所拥有的所有属性、标识的详细信息和资源分配条目。查看struct task_struct就像是窥探内核在管理和调度进程时所看到或所使用的内容。

由于任务结构体包含一系列广泛的数据元素，这些元素与不同的内核子系统的功能相关，因此在本章中我们将单独探讨所有元素的目的和范围。我们将介绍一些与进程管理相关的重要元素。

1.2.1　进程属性：关键元素

进程属性定义了一个进程的所有关键特征和基本特征。这些元素包含进程的状态和标识以及其他重要的键值。

1．状态

一个进程从其产生之时起直至退出就一直处于不同的状态中，称为进程状态——它们定义了进程的当前状态。

● TASK_RUNNING (0)：任务正在执行或在调度器运行队列中争抢CPU。

● TASK_INTERRUPTIBLE (1)：任务处于可中断的等待状态；它仍然处于等待状态，直到所等待的条件变为真，例如互斥锁可用、I/O准备好的设备、睡眠时间超时，或者是一个专属的唤醒调用。在这个等待状态中，为进程生成的任何信号都被传递，使得等待条件被满足前唤醒进程。

● TASK_KILLABLE ：这与 TASK_INTERRUPTIBLE 类似，不同之处在于中断只能发生在致命信号上，这使它成为 TASK_INTERRUPTIBLE 以外更好的选择。

● TASK_UNINTERRUPTIBLE (2)：任务处于不可中断的等待状态，类似于 TASK_ INTERRUPTIBLE ，但是产生信号给这种睡眠进程不会导致其被唤醒。当它正在等待的事件发生时，进程才转换为 TASK_RUNNING 状态。该进程状态很少使用。

● TASK_STOPPED (4)：该任务已经收到停止（STOP）信号。在接收到继续信号（SIGCONT）后，它会回到运行状态。

● TASK_TRACED (8)：当一个进程可能正在被一个调试器仔细检查，便可认为它处于跟踪状态。

● EXIT_ZOMBIE (32)：该进程已经被终止，但它的资源尚未回收。

● EXIT_DEAD (16)：父进程使用wait方法收集子进程的退出状态后，子进程将终止，并且释放它所持有的所有资源。

图1-5描述了进程状态。

图1-5

2．pid

该字段保存了进程唯一的标识符，称为 PID。Linux中的PID是pid_t（整数）类型。虽然PID是一个整数，但通过/proc/sys/kernel/pid_max接口指定的默认最大值只有32 768。该文件中的值可以设置为任何值，最高可达2 ²² （PID_MAX_LIMIT，约为400万）。

为了管理 PID，内核使用了位图。该位图允许内核跟踪PID的使用情况，并且可以为新进程分配唯一的PID。每个PID都是由PID位图中的一个位来标识的；PID的值是根据其对应位的位置来确定的。在位图中，值为1的位表示正在使用相应的PID，值为0的位表示空闲的PID。每当内核需要分配一个唯一的PID时，它就会查找第一个未被设置的位并将其设置为1，相反地，释放一个PID时，它会将相应的位从1设置为0。

3．tgid

该字段保存了线程组id。为了便于理解，假设创建了一个新进程，它的PID和TGID是相同的，因为进程恰好是唯一的线程。当进程产生一个新的线程时，新的子进程将获得唯一的PID，但是继承了父线程的TGID，因为它属于同一个线程组。TGID主要用于支持多线程进程。我们将在本章后面的线程部分深入了解。

4．thread info

该字段保存了处理器特定的状态信息，并且它是任务结构体的关键元素。本章后文会包含有关thread_info的重要细节。

5．flags

该标志字段记录了进程相应的各种属性。该字段中的每一位对应于一个进程生命周期中的各个阶段。每个进程标志定义在<linux/sched.h>中。

#define PF_EXITING           /* getting shut down */
#define PF_EXITPIDONE        /* pi exit done on shut down */
#define PF_VCPU              /* I'm a virtual CPU */
#define PF_WQ_WORKER         /* I'm a workqueue worker */
#define PF_FORKNOEXEC        /* forked but didn't exec */
#define PF_MCE_PROCESS       /* process policy on mce errors */
#define PF_SUPERPRIV         /* used super-user privileges */
#define PF_DUMPCORE          /* dumped core */
#define PF_SIGNALED          /* killed by a signal */
#define PF_MEMALLOC          /* Allocating memory */
#define PF_NPROC_EXCEEDED    /* set_user noticed that RLIMIT_NPROC was exceeded */
#define PF_USED_MATH         /* if unset the fpu must be initialized before use */
#define PF_USED_ASYNC       /* used async_schedule*(), used by module init */
#define PF_NOFREEZE         /* this thread should not be frozen */
#define PF_FROZEN           /* frozen for system suspend */
#define PF_FSTRANS          /* inside a filesystem transaction */
#define PF_KSWAPD           /* I am kswapd */
#define PF_MEMALLOC_NOIO0   /* Allocating memory without IO involved */
#define PF_LESS_THROTTLE    /* Throttle me less: I clean memory */
#define PF_KTHREAD          /* I am a kernel thread */
#define PF_RANDOMIZE        /* randomize virtual address space */
#define PF_SWAPWRITE        /* Allowed to write to swap */
#define PF_NO_SETAFFINITY   /* Userland is not allowed to meddle with cpus_allowed */
#define PF_MCE_EARLY        /* Early kill for mce process policy */
#define PF_MUTEX_TESTER     /* Thread belongs to the rt mutex tester */
#define PF_FREEZER_SKIP     /* Freezer should not count it as freezable */
#define PF_SUSPEND_TASK     /* this thread called freeze_processes and should not be 
frozen */

6．exit_code和exit_signal

这些字段保存了任务的退出值和导致终止的信号的详细信息。这些字段将由父进程在子进程终止时通过wait()访问。

7．comm

该字段保存了用于启动进程的二进制可执行文件的名称。

8．ptrace

当使用ptrace()系统调用使进程转为跟踪模式时，将启用并设置该字段。

1.2.2　进程关系：关键元素

每个进程都可以与父进程关联，并建立父子关系。同样，由同一进程产生的多个进程被称为兄弟进程。这些字段确定当前进程与另一个进程的关系。

1．real_parent和parent

这些是指向父任务结构体的指针。对于正常的进程，这两个指针都指向同一个task_struct。它们的区别仅在于使用posix线程实现的多线程进程。对于这种情况，real_parent指向父线程任务结构体，parent指向收到SIGCHLD信号的进程任务结构体。

2．children

这是指向子任务结构体链表的指针。

3．sibling

这是一个指向兄弟任务结构体链表的指针。

4．group_leader

这个指针指向进程组组长的任务结构体。

1.2.3　调度属性：关键元素

所有相互竞争的进程都必须拥有公平的CPU时间，这就要求基于时间片和进程优先级来调度。以下这些属性包含了调度器所需的必要信息，以帮助确定哪个进程在竞争时获得优先权。

1．prio和static_prio

prio帮助确定调度进程的优先级。如果进程被分配了实时调度策略，则此字段保存了进程的静态优先级，范围为1～99（由sched_setscheduler()指定）。对于正常的进程，这个字段保存了由nice值得来的动态优先级。

2．se、rt和dl

每个任务都属于调度实体（任务组），因为调度是在每个实体级别上完成的。se用于所有正常进程，rt用于实时进程，dl用于截止期进程。我们将在下一章讨论关于调度的这些属性的更多细节。

3．policy

该字段保存了和进程调度策略相关的信息，这有助于确定进程的优先级。

4．cpus_allowed

该字段指定了进程的CPU掩码。也就是说，在多处理器系统中，进程允许在哪个CPU上进行调度。

5．rt_priority

该字段用于指定实时调度策略的进程优先级。但对于非实时进程，该字段未被使用。

1.2.4　进程限制：关键元素

内核施加资源限制以确保在相互竞争的进程中公平分配系统资源。这些限制保证了任意一个进程都不会独占所有的资源。有16种不同类型的资源限制，task structure指向一个struct rlimit类型的数组，其中每个偏移量包含了一个特定资源的当前值和最大值。

/*include/uapi/linux/resource.h*/
struct rlimit {
  __kernel_ulong_t        rlim_cur;
  __kernel_ulong_t        rlim_max;
};

这些限制在include/uapi/asm-generic/resource.h中进行了指定。

#define RLIMIT_CPU        0        /* CPU time in sec */
#define RLIMIT_FSIZE      1        /* Maximum filesize */
#define RLIMIT_DATA       2        /* max data size */
#define RLIMIT_STACK      3        /* max stack size */
#define RLIMIT_CORE       4        /* max core file size */
#ifndef RLIMIT_RSS
# define RLIMIT_RSS       5        /* max resident set size */
#endif
#ifndef RLIMIT_NPROC
# define RLIMIT_NPROC     6        /* max number of processes */
#endif
#ifndef RLIMIT_NOFILE
# define RLIMIT_NOFILE    7        /* max number of open files */
#endif
#ifndef RLIMIT_MEMLOCK
# define RLIMIT_MEMLOCK   8        /* max locked-in-memory
address space */
#endif
#ifndef RLIMIT_AS
# define RLIMIT_AS        9        /* address space limit */
#endif
#define RLIMIT_LOCKS      10       /* maximum file locks held */
#define RLIMIT_SIGPENDING 11       /* max number of pending signals */
#define RLIMIT_MSGQUEUE   12       /* maximum bytes in POSIX mqueues */
#define RLIMIT_NICE       13       /* max nice prio allowed to
raise to 0-39 for nice level  19 .. -20 */
#define RLIMIT_RTPRIO     14       /* maximum realtime priority */
#define RLIMIT_RTTIME     15       /* timeout for RT tasks in us */
#define RLIM_NLIMITS      16

1.2.5　文件描述符表：关键元素

在进程的生命周期中，它可以访问各种资源文件来完成其任务。这会导致进程打开、关闭、读取和写入这些文件。而系统又必须跟踪这些行为；文件描述符元素可以帮助系统了解进程操作了哪些文件。

1．fs

文件系统信息存储在该字段中。

2．files

文件描述符表保存了一些指针，这些指针指向进程为了执行各种操作而打开的所有文件。而files字段保存了一个指向该文件描述符表的指针。

1.2.6　信号描述符：关键元素

对于要处理信号的进程，任务结构体中有各种元素，而这些元素决定着信号必须如何处理。

1．signal

这是struct signal_struct类型的元素，它保存了与进程相关的所有信号的信息。

2．sighand

这是struct sighand_struct类型的元素，它保存了与进程相关的所有信号的处理函数。

3．sigset_t blocked和real_blocked

这些元素标识了当前被进程屏蔽或阻塞的信号。

4．pending

这是struct sigpending 类型的，它用来标识已经生成但尚未传递的信号。

5．sas_ss_sp

该字段保存了一个指向备用堆栈的指针，它有助于信号处理。

1.2 进程描述符

1.2.1 进程属性：关键元素