介绍一个进程在内核眼里的来龙去脉

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gaosmile 发布时间：2020-10-5 19:52

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本篇算是进程管理的的揭幕篇，简单介绍一个进程在内核眼里的来龙去脉，为接下来的进程创建，进程调度，进程管理等篇章做好学习准备。

从程序到进程再到内核

啥是程序，啥是进程，一张图可以给我们解释：

我们转换镜头，站在内核OS的视角看什么是程序，什么是进程。ELF可执行文件送给内核后，OS是如何看待它的呢？换句话讲，内核OS眼里只有进程：

通过 top 命令我们可以看到 linux 的各种进程（即上右图）。

内核通过 task_struct 描述进程

用命令 pstree 可以让内核以树形的结构把进程之间的关系列出来，如下图：

这是进程在内核中的结构形式，那么内核是如何来以树形结构管理描述这些进程的呢？用来描述进程的数据结构，可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识（PID）等，都被封装在了进程描述符这个数据结构中，一起来看下今天的主角—— task_struct 结构体。

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 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
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; //父进程终止时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
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];
int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
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
......
};

复制代码

内核就是通过list_head链表把各个进程关系以树形结构管理起来的。
task_struct 结构体内容太多，这里只列出部分成员变量，感兴趣的读者可以去源码 include/linux/sched.h头文件查看。task_struct 中的主要信息分类：

1. 标示符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
2. 状态：任务状态，退出代码，退出信号等
3. 优先级：相对于其他进程的优先级
4. 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址
5. 内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
6. 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据
7. I/O状态信息：包括显示的I/O请求，分配的进程I/O设备和进程使用的文件列表
8. 记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟总和，时间限制，记帐号等

这些信息每类都可以单独开个章节去讲解，这里先简单描述下任务状态的转换，以后篇章再深入介绍各个分类。

任务状态转换

上面可以看到变量定义后面的注释，它说明变量内容<0是不运行的，=0是运行状态，>0是停止状态。下面我们介绍几个常用的取值：

任务状态在不同情况下的状态转换如下：

图来源于https://www.lagou.com/lgeduarticle/96239.html

内核如何存放 task_struct

我们知道一个进程所占的栈空间有用户栈和内核栈，用户栈的分布方式见之前的文章《C语言在ARM中函数调用时，栈是如何变化的？》。那么内核栈是如何存放进程描述符的呢？
内核栈对于应用程序是不可见的，因为它位于内核空间中。在应用程序执行过程中，如果发生异常、中断或系统调用的话，应用程序会被暂停，系统进入内核态，转去执行异常响应等代码，这个时候所使用的栈就是内核栈。