本文参考博客链接:
https://blog.csdn.net/peiyao456/article/details/54407343
1.引言:
在说task_struct之前,我们要先讲一下进程,关于什么是进程,有很多种说法,但最具有概括性又准确的定义,是如下3点:
- 按内核的角度来看:进程是担当分配系统资源(CPU时间,内存)的实体
- 进程是程序的一个执行实例
- 通俗的讲,进程就是正在运行的程序
而操作系统怎么管理许许多多的进程呢?我们知道,操作系统想要管理一个对象时,是不能直接管理的,而是先将这个对象的一系列信息封装起来,通过管理这个对象的信息进而达到管理对象的目的,而进程的信息在操作系统中是封装在一个名叫PCB的结构体中的,这个PCB又叫进程数据块,操作系统就是通过PCB来管理进程的。
在linux下,进程数据块的名字叫task_struct , 也就是我们这篇博客的主角了。
2.task_struct中存储了进程的哪些信息?
在linux下,各个进程的信息被封装在各个进程的task_struct中,那究竟有哪些信息呢?
如下,是task_struct中最主要的组成部分:
1. 标识符:与进程相关的唯一标识符,用来区别正在执行的进程和其他进程。
2. 状态:描述进程的状态,因为进程有挂起,阻塞,运行等好几个状态,所以都有个标识符来记录进程的执行状态。
3. 优先级:如果有好几个进程正在执行,就涉及到进程被执行的先后顺序的问题,这和进程优先级这个标识符有关。
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:程序代码和进程相关数据的指针。
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,分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表等。
8. 记账信息:包括处理器的时间总和,记账号等等。
3.剖析Linux下的PCB—task_struct
关于task_struct的定义, 位于/usr/include/linux/sched.h文件(centos6.5下)中。
下边我就结构体中的数据成员进行分类:
(1)进程的状态:
一个进程是执行状态还是睡眠状态还是阻塞状态,将在下边的成员中进行描述。
volatile long state;
state的可能取值为:
#define TASK_RUNNING 0//进程要么正在执行,要么准备执行
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1 //可中断的睡眠,可以通过一个信号唤醒
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 //不可中断睡眠,不可以通过信号进行唤醒
#define __TASK_STOPPED 4 //进程停止执行
#define __TASK_TRACED 8 //进程被追踪
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE 16 //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_DEAD 32 //进程的最终状态,进程死亡。
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD 64 //死亡
#define TASK_WAKEKILL 128 //唤醒并杀死的进程
#define TASK_WAKING 256 //唤醒进程
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(2)进程的唯一标识
pid_t pid;//进程的唯一标识
pid_t tgid;// 线程组的领头线程的pid成员的值
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pid是进程的唯一表示,范围是0~32767,可以表示32768个进程。
在Linux系统中,一个线程组的所有线程使用和该线程组的领头线程相同的PID,并被存放在tgid成员中。(线程是程序运行的最小单位,进程是程序运行的基本单位。)
(3)进程的内核栈
void *stack;//用来维护进程的内核栈。
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Linux内核是通过以下的结构体来表示进程的内核栈:
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
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注明:关于内核栈,之后再来补充。
(4)进程的标记:
unsigned int flags;
//进程的标志信息
#define PF_ALIGNWARN 0x00000001 /* Print alignment warning msgs */
/* Not implemented yet, only for 486*/
#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_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_FLUSHER 0x00001000 /* responsible for disk writeback */
#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 freezeable */
#define PF_FREEZER_NOSIG 0x80000000 /* Freezer won't send signals to it */
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(5)进程之间的亲属关系:
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 */
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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(进程的子进程链表)。
sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中(进程的兄弟链表)。
group_leader指向其所在进程组的领头进程。
(6)进程调度信息:
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;
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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//按照优先级进行调度(有些地方也说是CFS调度器)
#define SCHED_FIFO 1//先进先出的调度算法
#define SCHED_RR 2//时间片轮转的调度算法
#define SCHED_BATCH 3//用于非交互的处理机消耗型的进程
#define SCHED_IDLE 5//系统负载很低时的调度算法
#define SCHED_RESET_ON_FORK 0x40000000
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(7) 时间数据成员:
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;
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注明:关于进程的开始执行时间和真正开始执行时间,我认为:进程获得了除了处理机之外的所需的所有资源,它就进入了就绪状态,该时间就是进程的开始执行时间,也就是进入内存的时间。而真正开始时间是或得处理机开始执行的时间。这是本人的认识。
(8)信号处理信息
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, real_blocked;//阻塞信号的掩码
sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
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
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(9)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
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以下是对task_struct的定义及注释:
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
//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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注明:进程的调度策略有:先来先服务,短作业优先、时间片轮转、高响应比优先等等的调度算法。
以上参考文档和书籍:
1.task_struct的源码及注释部分,来源于
http://blog.csdn.net/lf_2016/article/details/54347820
2.参考书籍:
《计算机操作系统(第三版) 汤小丹等著》
其他内容参考以下连接:
http://blog.csdn.net/npy_lp/article/details/7292563