前言
當把一個程序加載到內存當中,此時,這個時候就有了進程,關於進程,有一個相關的叫做進程控制塊(PCB),這個是系統爲了方便進行管理進程所設置的一個數據結構,通過PCB,就可以記錄進程的特徵以及一些信息。
內核當中使用進程描述符task_struct。
這個task_struct就是一個定義的一個結構體,通過這個結構體,可以對進程的所有的相關的信息進行維護,對進程進行管理。
接下來我們需要對task_struct結構體當中的成員進行一些分析。
linux內核版本 |
---|
Linux version 2.6.32-431.el6.i686 |
1 task_struct
1.1 進程狀態
volatile long state;
int exit_state;`
表示進程的狀態,
在進程執行的時候,它會有一個狀態,這個狀態對於進程來說是很重要的一個屬性。進程主要有以下幾個狀態。
state可能的取值
這些狀態就不再一一說明了,後續進程篇會有專門的說明。
1.2 進程標識符(PID)
pid_t pid;
pid_t tgid;
每個進程都有進程標識符、用戶標識符、組標識符,進程標識符對於每一個進程來說都是唯一的。內核通過進程標識符來對不同的進程進行識別,一般來說,行創建的進程都是在前一個進程的基礎上PID加上1作爲本進程的PID。爲了linux平臺兼容性,PID一般最大爲32767。
1.3 進程內核棧
void *stack
stack用來維護分配給進程的內核棧,內核棧的意義在於,進程task_struct所佔的內存是由內核動態分配的,確切的說就是內核根本不給task_struct分配內存,只給內核棧分配8KB內存,並且一部分會提供給task_struct使用。
task_struct結構體大約佔用的大小爲1K左右,根據內核版本的不同,大小也會有差異。
所以,也就可以知道內核棧最大也就是7KB,否則,內核棧會覆蓋task_struct結構。
1.4 標記
unsigned int flags
用來反映一個進程的狀態信息,但不是運行狀態,用於內核識別進程當前的狀態,flags的取值如下:
可使用的標記 | 功能 |
---|---|
PF_FORKNOEXEC | 進程剛創建,但還沒執行。 |
PF_SUPERPRIV | 超級用戶特權。 |
PF_DUMPCORE | 關於核心。 |
PF_SIGNALED | 進程被信號(signal)殺出。 |
PF_EXITING | 進程開始關閉。 |
1.5 表示進程親屬關係的成員
struct task_struct *real_parent;
struct task_struct *parent;
struct list_head children;
struct list_head sibling;
struct task_struct *group_leader;
linux系統當中,考慮到進程的派生,所以進程之間會存在父進程和子進程這樣的關係,當然,對於同一個父進程派生出來的進程,他們的關係當然是兄弟進程了。
成員 | 功能 |
---|---|
real_parent | 指向父進程的指針,如果父進程不存在了,則指向PID爲1的進程 |
parent | 指向父進程的,值與real——parent相同,需要向它的父進程發送信號 |
children | 表示鏈表的頭部,鏈表中的所有元素都是它的子進程 |
sibling | 用於當前進程插入兄弟鏈表當中 |
group_leader | 指向進程組的領頭進程 |
1.6 ptrace系統調用
unsigned int ptrace;
struct list_head ptraced;
struct list_head ptrace_entry;
首先我們要清楚ptrace是什麼東西,ptrace是一種提供父進程控制子進程運行,並且可以檢查和改變它的核心image。當trace設置爲0時不需要被跟蹤。
1.7 性能診斷工具——Performance Event
#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
#ifndef __GENKSYMS__
void * __reserved_perf__;
#else
struct perf_event_context *perf_event_ctxp;
#endif
struct mutex perf_event_mutex;
struct list_head perf_event_list;
#endif
Performance Event是性能診斷工具,這些成員用來幫助它進行分析進程性能問題。
1.8 進程調度
int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;
成員 | 功能 |
---|---|
static_prio | 保存靜態優先級,可以通過nice系統進行修改 |
rt_priority | 保存實時優先級 |
normal_prio | 保存靜態優先級和調度策略 |
prio | 保存動態優先級 |
調度進程利用這部分信息決定系統當中的那個進程最應該運行,並且結合進程的狀態信息保證系統運作高效。
提到進程調度,當然還需要說明一下進程調度策略,我們來看下關於調度策略的成員:
unsigned int policy;
const struct sched_class *sched_class;
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
成員 | 功能 |
---|---|
policy | 調度策略 |
sched_class | 調度類 |
se | 普通進程的一個調用的實體,每一個進程都有其中之一的實體 |
rt | 實時進程的調用實體,每個進程都有其中之一的實體 |
cpus_allowed | 用於控制進程可以在處理器的哪裏運行 |
policy表示進程的調度策略,主要有以下五種:
種類 | 功能 |
---|---|
SCHED_NORMAL | 用於普通進程 |
SCHED_BATCH | 普通進程策略的分化版本,採用分時策略 |
SCHED_IDLE | 優先級最低,系統空閒時才跑這類進程 |
SCHED_FIFO | 先入先出的調度算法 |
SCHED_RR | 實時調度算法,採用時間片,相同優先級的任務當用完時間片就會放到隊列的尾部,保證公平性,同時,高優先級的任務搶佔低優先級的任務。 |
SCHED_DEADLINE | 新支持的實時調度策略,正對突發性計算 |
說完了調度策略,我們再來看一下調度類。
調度類 | 功能 |
---|---|
idle_sched_class | 每一個cpu的第一個pid=0的線程,是一個靜態的線程 |
stop_sched_class | 優先級最高的線程,會中斷所有其他的線程,而且不會被其他任務打斷 |
rt_sched_slass | 作用在實時線程 |
fair_sched_class | 作用的一般線程 |
它們的優先級順序爲Stop>rt>fair>idle
1.9進程的地址空間
struct mm_struct *mm, *active_mm;
成員 | 功能 |
---|---|
mm | 進程所擁有的用戶空間的內存描述符 |
active_mm | 指向進程運行時使用的內存描述符,對於普通的進程來說,mm和active_mm是一樣的,但是內核線程是沒有進程地址空間的,所以內核線程的mm是空的,所以需要初始化內核線程的active_mm |
對於內核線程切記是沒有地址空間的。
後續會有專門的博客來敘述
1.10 判斷標誌
//用於進程判斷標誌
int exit_state;
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */
/* ??? */
unsigned int personality;
unsigned did_exec:1;
unsigned in_execve:1; /* Tell the LSMs that the process is doing an
* execve */
unsigned in_iowait:1;
/* Revert to default priority/policy when forking */
unsigned sched_reset_on_fork:1;
成員 | 功能 |
---|---|
exit_state | 進程終止的狀態 |
exit_code | 設置進程的終止代號 |
exit_signal | 設置爲-1的時候表示是某個線程組當中的一員,只有當線程組的最後一個成員終止時,纔會產生型號給父進程 |
pdeath_signal | 用來判斷父進程終止時的信號 |
1.11 時間與定時器
關於時間,一個進程從創建到終止叫做該進程的生存期,進程在其生存期內使用CPU時間,內核都需要進行記錄,進程耗費的時間分爲兩部分,一部分是用戶模式下耗費的時間,一部分是在系統模式下耗費的時間。
//描述CPU時間的內容
cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
cputime_t gtime;
cputime_t prev_utime, prev_stime;
unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
struct timespec start_time; /* monotonic time */
struct timespec real_start_time; /* boot based time */
struct task_cputime cputime_expires;
struct list_head cpu_timers[3];
成員 | 屬性 |
---|---|
utime/stime | 用於記錄進程在用戶狀態/內核態下所經過的定時器 |
prev_utime/prev_stime | 記錄當前的運行時間 |
utimescaled/stimescaled | 分別記錄進程在用戶態和內核態的運行的時間 |
gtime | 記錄虛擬機的運行時間 |
nvcsw/nicsw | 是自願/非自願上下文切換計數 |
start_time/real_start_time | 進程創建時間,real還包括了進程睡眠時間 |
cputime_expires | 用來統計進程或進程組被跟蹤的處理器時間,三個成員對應的是下面的cpu_times[3]的三個鏈表 |
然後接下來我們來看一下進程的定時器,一共是三種定時器。
定時器類型 | 解釋 | 更新時刻 |
---|---|---|
ITIMER_REAL | 實時定時器 | 實時更新,不在乎進程是否運行 |
ITIMER_VIRTUAL | 虛擬定時器 | 只在進程運行用戶態時更新 |
ITIMER_PROF | 概況定時器 | 進程運行於用戶態和系統態進行更新 |
進程總過有三種定時器,這三種定時器的特徵有到期時間,定時間隔,和要觸發的時間,
1.12 信號處理
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;
sigset_t blocked, real_blocked;
sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
struct sigpending pending;
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
關於信號處理:
成員 | 功能 |
---|---|
signal | 指向進程信號描述符 |
sighand | 指向進程信號處理程序描述符 |
blocked | 表示被阻塞信號的掩碼 |
pending | 存放私有掛起信號的數據結構 |
sas_ss_sp | 信號處理程序備用堆棧的地址 |
1.13 文件系統信息
//文件系統信息結構體
/* filesystem information */
struct fs_struct *fs;
//打開文件相關信息結構體
/* open file information */
struct files_struct *files;
進程可以用來打開和關閉文件,文件屬於系統資源,task_struct有兩個來描述文件資源,他們會描述兩個VFS索引節點,兩個節點分別是root和pwd,分別指向根目錄和當前的工作目錄。
成員 | 功能 |
---|---|
struct fs_struct *fs | 進程可執行鏡像所在的文件系統 |
struct files_struct *files | 進程當前打開的文件 |
1.14 其他
struct task_struct {
//進程狀態(-1就緒態,0運行態,>0停止態)
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
//進程內核棧
void *stack;
//有幾個進程只在使用此結構
atomic_t usage;
//標記
unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
//ptrace系統調用,關於實現斷點調試,跟蹤進程運行。
unsigned int ptrace;
//鎖的深度
int lock_depth; /* BKL lock depth */
//SMP實現無加鎖的進程切換
#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
int oncpu;
#endif
#endif
//關於進程調度
int prio, static_prio, normal_prio;
//優先級
unsigned int rt_priority;
//關於進程
const struct sched_class *sched_class;
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
//preempt_notifier結構體鏈表
#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
/* list of struct preempt_notifier: */
struct hlist_head preempt_notifiers;
#endif
/*
* fpu_counter contains the number of consecutive context switches
* that the FPU is used. If this is over a threshold, the lazy fpu
* saving becomes unlazy to save the trap. This is an unsigned char
* so that after 256 times the counter wraps and the behavior turns
* lazy again; this to deal with bursty apps that only use FPU for
* a short time
*/
//FPU使用計數
unsigned char fpu_counter;
//塊設備I/O層的跟蹤工具
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
unsigned int btrace_seq;
#endif
//進程調度策略相關的字段
unsigned int policy;
cpumask_t cpus_allowed;
//RCU同步原語
#ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU
int rcu_read_lock_nesting;
char rcu_read_unlock_special;
struct rcu_node *rcu_blocked_node;
struct list_head rcu_node_entry;
#endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */
//用於調度器統計進程運行信息
#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
struct sched_info sched_info;
#endif
//用於構架進程鏈表
struct list_head tasks;
struct plist_node pushable_tasks;
//關於進程的地址空間,指向進程的地址空間。(鏈表和紅黑樹)
struct mm_struct *mm, *active_mm;
/* task state */
//進程狀態參數
int exit_state;
//退出信號處理
int exit_code, exit_signal;
//接收父進程終止的時候會發送信號
int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */
/* ??? */
unsigned int personality;
unsigned did_exec:1;
unsigned in_execve:1; /* Tell the LSMs that the process is doing an
* execve */
unsigned in_iowait:1;
/* Revert to default priority/policy when forking */
unsigned sched_reset_on_fork:1;
//進程pid,父進程ppid。
pid_t pid;
pid_t tgid;
//防止內核堆棧溢出
#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
/* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
unsigned long stack_canary;
#endif
/*
* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with
* p->real_parent->pid)
*/
//這部分是用來進行維護進程之間的親屬關係的。
//初始化父進程
struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
//接納終止的進程
struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
/*
* children/sibling forms the list of my natural children
*/
//維護子進程鏈表
struct list_head children; /* list of my children */
//兄弟進程鏈表
struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */
//線程組組長
struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */
/*
* ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
* This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
* p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
*/
//ptrace,系統調用,關於斷點調試。
struct list_head ptraced;
struct list_head ptrace_entry;
//PID與PID散列表的聯繫
/* PID/PID hash table linkage. */
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
//維護一個鏈表,裏面有該進程所有的線程
struct list_head thread_group;
//do_fork()函數
struct completion *vfork_done; /* for vfork() */
int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */
int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */
//描述CPU時間的內容
//utime是用戶態下的執行時間
//stime是內核態下的執行時間
cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
cputime_t gtime;
cputime_t prev_utime, prev_stime;
//上下文切換計數
unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
struct timespec start_time; /* monotonic time */
struct timespec real_start_time; /* boot based time */
/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
//缺頁統計
unsigned long min_flt, maj_flt;
struct task_cputime cputime_expires;
struct list_head cpu_timers[3];
/* process credentials */
//進程身份憑據
const struct cred *real_cred; /* objective and real subjective task
* credentials (COW) */
const struct cred *cred; /* effective (overridable) subjective task
* credentials (COW) */
struct mutex cred_guard_mutex; /* guard against foreign influences on
* credential calculations
* (notably. ptrace) */
struct cred *replacement_session_keyring; /* for KEYCTL_SESSION_TO_PARENT */
//去除路徑以後的可執行文件名稱,進程名
char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
- access with [gs]et_task_comm (which lock
it with task_lock())
- initialized normally by setup_new_exec */
/* file system info */
//文件系統信息
int link_count, total_link_count;
#ifdef CONFIG_SYSVIPC
/* ipc stuff */
//進程通信
struct sysv_sem sysvsem;
#endif
#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
/* hung task detection */
unsigned long last_switch_count;
#endif
//該進程在特點CPU下的狀態
/* CPU-specific state of this task */
struct thread_struct thread;
//文件系統信息結構體
/* filesystem information */
struct fs_struct *fs;
//打開文件相關信息結構體
/* open file information */
struct files_struct *files;
/* namespaces */
//命名空間:
struct nsproxy *nsproxy;
/* signal handlers */
//關於進行信號處理
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;
sigset_t blocked, real_blocked;
sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
struct sigpending pending;
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
//進程審計
struct audit_context *audit_context;
#ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL
uid_t loginuid;
unsigned int sessionid;
#endif
seccomp_t seccomp;
#ifdef CONFIG_UTRACE
struct utrace *utrace;
unsigned long utrace_flags;
#endif
//線程跟蹤組
/* Thread group tracking */
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
/* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed,
* mempolicy */
spinlock_t alloc_lock;
//中斷
#ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS
/* IRQ handler threads */
struct irqaction *irqaction;
#endif
//task_rq_lock函數所使用的鎖
/* Protection of the PI data structures: */
spinlock_t pi_lock;
//基於PI協議的等待互斥鎖
#ifdef CONFIG_RT_MUTEXES
/* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */
struct plist_head pi_waiters;
/* Deadlock detection and priority inheritance handling */
struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on;
#endif
//死鎖檢測
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
/* mutex deadlock detection */
struct mutex_waiter *blocked_on;
#endif
//中斷
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
unsigned int irq_events;
int hardirqs_enabled;
unsigned long hardirq_enable_ip;
unsigned int hardirq_enable_event;
unsigned long hardirq_disable_ip;
unsigned int hardirq_disable_event;
int softirqs_enabled;
unsigned long softirq_disable_ip;
unsigned int softirq_disable_event;
unsigned long softirq_enable_ip;
unsigned int softirq_enable_event;
int hardirq_context;
int softirq_context;
#endif
//lockdep
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
# define MAX_LOCK_DEPTH 48UL
u64 curr_chain_key;
int lockdep_depth;
unsigned int lockdep_recursion;
struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
gfp_t lockdep_reclaim_gfp;
#endif
//日誌文件
/* journalling filesystem info */
void *journal_info;
/* stacked block device info */
//塊設備鏈表
struct bio *bio_list, **bio_tail;
/* VM state */
//虛擬內存狀態,內存回收
struct reclaim_state *reclaim_state;
//存放塊設備I/O流量信息
struct backing_dev_info *backing_dev_info;
//I/O調度器所用信息
struct io_context *io_context;
unsigned long ptrace_message;
siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use. */
//記錄進程I/O計數
struct task_io_accounting ioac;
#if defined(CONFIG_TASK_XACCT)
u64 acct_rss_mem1; /* accumulated rss usage */
u64 acct_vm_mem1; /* accumulated virtual memory usage */
cputime_t acct_timexpd; /* stime + utime since last update */
#endif
//CPUSET功能
#ifdef CONFIG_CPUSETS
nodemask_t mems_allowed; /* Protected by alloc_lock */
#ifndef __GENKSYMS__
/*
* This does not change the size of the struct_task(2+2+4=4+4)
* so the offsets of the remaining fields are unchanged and
* therefore the kABI is preserved. Only the kernel uses
* cpuset_mem_spread_rotor and cpuset_slab_spread_rotor so
* it is safe to change it to use shorts instead of ints.
*/
unsigned short cpuset_mem_spread_rotor;
unsigned short cpuset_slab_spread_rotor;
int mems_allowed_change_disable;
#else
int cpuset_mem_spread_rotor;
int cpuset_slab_spread_rotor;
#endif
#endif
//Control Groups
#ifdef CONFIG_CGROUPS
/* Control Group info protected by css_set_lock */
struct css_set *cgroups;
/* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
struct list_head cg_list;
#endif
//futex同步機制
#ifdef CONFIG_FUTEX
struct robust_list_head __user *robust_list;
#ifdef CONFIG_COMPAT
struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list;
#endif
struct list_head pi_state_list;
struct futex_pi_state *pi_state_cache;
#endif
//關於內存檢測工具Performance Event
#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
#ifndef __GENKSYMS__
void * __reserved_perf__;
#else
struct perf_event_context *perf_event_ctxp;
#endif
struct mutex perf_event_mutex;
struct list_head perf_event_list;
#endif
//非一致內存訪問
#ifdef CONFIG_NUMA
struct mempolicy *mempolicy; /* Protected by alloc_lock */
short il_next;
#endif
//文件系統互斥資源
atomic_t fs_excl; /* holding fs exclusive resources */
//RCU鏈表
struct rcu_head rcu;
/*
* cache last used pipe for splice
*/
//管道
struct pipe_inode_info *splice_pipe;
//延遲計數
#ifdef CONFIG_TASK_DELAY_ACCT
struct task_delay_info *delays;
#endif
#ifdef CONFIG_FAULT_INJECTION
int make_it_fail;
#endif
struct prop_local_single dirties;
#ifdef CONFIG_LATENCYTOP
int latency_record_count;
struct latency_record latency_record[LT_SAVECOUNT];
#endif
/*
* time slack values; these are used to round up poll() and
* select() etc timeout values. These are in nanoseconds.
*/
//time slack values,常用於poll和select函數
unsigned long timer_slack_ns;
unsigned long default_timer_slack_ns;
//socket控制消息
struct list_head *scm_work_list;
#ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
//ftrace跟蹤器
/* Index of current stored adress in ret_stack */
int curr_ret_stack;
/* Stack of return addresses for return function tracing */
struct ftrace_ret_stack *ret_stack;
/* time stamp for last schedule */
unsigned long long ftrace_timestamp;
/*
* Number of functions that haven't been traced
* because of depth overrun.
*/
atomic_t trace_overrun;
/* Pause for the tracing */
atomic_t tracing_graph_pause;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACING
/* state flags for use by tracers */
unsigned long trace;
/* bitmask of trace recursion */
unsigned long trace_recursion;
#endif /* CONFIG_TRACING */
/* reserved for Red Hat */
unsigned long rh_reserved[2];
#ifndef __GENKSYMS__
struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR /* memcg uses this to do batch job */
struct memcg_batch_info {
int do_batch; /* incremented when batch uncharge started */
struct mem_cgroup *memcg; /* target memcg of uncharge */
unsigned long bytes; /* uncharged usage */
unsigned long memsw_bytes; /* uncharged mem+swap usage */
} memcg_batch;
#endif
#endif
};
如果需要,可從github處取走註釋源碼:https://github.com/wsy081414/C_linux_practice/blob/master/task_struct.h