Linux的進程

目的：

初步了解進程描述符 task_struct。

目錄：

Linux的進程

Linux 的進程描述符

task_struct

內(nèi)核如何找到 task_struct

task_struct 的分配和初始化

實驗：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack

環(huán)境：

Linux-4.14 + ARMv7

1. Linux 的進程

進程的術(shù)語是 process，是 Linux 最基礎(chǔ)的抽象，另一個基礎(chǔ)抽象是文件。

最簡單的理解，進程就是執(zhí)行中 (executing, 不等于running) 的程序。

更準確一點的理解，進程包括執(zhí)行中的程序以及相關(guān)的資源(包括cpu狀態(tài)、打開的文件、掛起的信號、tty、內(nèi)存地址空間等)。

一種簡潔的說法：進程 = n*執(zhí)行流 + 資源，n>=1。

Linux 進程的特點：

通過系統(tǒng)調(diào)用 fork() 創(chuàng)建進程，fork() 會復(fù)制現(xiàn)有進程來創(chuàng)建一個全新的進程。

內(nèi)核里，并不嚴格區(qū)分進程和線程。

從內(nèi)核的角度看，調(diào)度單位是線程 (即執(zhí)行流)?？梢园丫€程看做是進程里的一條執(zhí)行流，1個進程里可以有1個或者多個線程。

內(nèi)核里，常把進程稱為 task 或者 thread，這樣描述更準確，因為許多進程就只有1條執(zhí)行流。

內(nèi)核通過輕量級進程 (lightweight process) 來支持多線程。1個輕量級進程就對應(yīng)1個線程，輕量級進程之間可以共享打開的文件、地址空間等資源。

2. Linux 的進程描述符

2.1 task_struct

內(nèi)核里，通過 task_struct 結(jié)構(gòu)體來描述一個進程，稱為進程描述符 (process descriptor)，它保存著支撐一個進程正常運行的所有信息。

每一個進程，即便是輕量級進程(即線程)，都有1個 task_struct。

sched.h(includelinux) structtask_struct{ structthread_infothread_info; volatilelongstate; void*stack; [...] structmm_struct*mm; [...] pid_tpid; [...] structtask_struct*parent; [...] charcomm[TASK_COMM_LEN]; [...] structfiles_struct*files; [...] structsignal_struct*signal; }

這是一個龐大的結(jié)構(gòu)體，不僅有許多進程相關(guān)的基礎(chǔ)字段，還有許多指向其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。

它包含的字段能完整地描述一個正在執(zhí)行的程序，包括 cpu 狀態(tài)、打開的文件、地址空間、掛起的信號、進程狀態(tài)等。

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作為初學(xué)者，先簡單地了解部分字段就好：：

struct thread_info thread_info:進程底層信息，平臺相關(guān)，下面會詳細描述。

long state:進程當前的狀態(tài)，下面是幾個比較重要的進程狀態(tài)以及它們之間的轉(zhuǎn)換流程。

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void *stack:指向進程內(nèi)核棧，下面會解釋。

struct mm_struct *mm:與進程地址空間相關(guān)的信息都保存在一個叫內(nèi)存描述符 (memory descriptor) 的結(jié)構(gòu)體 (mm_struct) 中。

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pid_t pid:進程標識符，本質(zhì)就是一個數(shù)字，是用戶空間引用進程的唯一標識。

struct task_struct *parent:父進程的 task_struct。

char comm[TASK_COMM_LEN]:進程的名稱。

struct files_struct*files:打開的文件表。

struct signal_struct *signal:信號處理相關(guān)。

其他字段，等到有需要的時候再回過頭來學(xué)習(xí)。

2.2 當發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用或者進程切換時，內(nèi)核如何找到 task_struct ?

對于 ARM 架構(gòu)，答案是：通過內(nèi)核棧 (kernel mode stack)。

為什么要有內(nèi)核棧？

因為內(nèi)核是可重入的，在內(nèi)核中會有多條與不同進程相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行路徑。因此不同的進程處于內(nèi)核態(tài)時，都需要有自己私有的進程內(nèi)核棧 (process kernel stack)。

當進程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)時，所使用的棧會從用戶棧切換到內(nèi)核棧。

至于是如何切換的，關(guān)鍵詞是系統(tǒng)調(diào)用，這不是本文關(guān)注的重點，先放一邊，學(xué)習(xí)內(nèi)核要懂得恰當?shù)臅r候忽略細節(jié)。

當發(fā)生進程切換時，也會切換到目標進程的內(nèi)核棧。

同上，關(guān)鍵詞是硬件上下文切換 (hardware context switch)，忽略具體實現(xiàn)。

無論何時，只要進程處于內(nèi)核態(tài)，就會有內(nèi)核?？梢允褂?，否則系統(tǒng)就離崩潰不遠了。

ARM 架構(gòu)的內(nèi)核棧和 task_struct 的關(guān)系如下：

內(nèi)核棧的長度是 THREAD_SIZE，對于 ARM 架構(gòu)，一般是 2 個頁框的大小，即 8KB。

內(nèi)核將一個較小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) thread_info 放在內(nèi)核棧的底部，它負責(zé)將內(nèi)核棧和 task_struct 串聯(lián)起來。thread_info 是平臺相關(guān)的，在 ARM 架構(gòu)中的定義如下：

//thread_info.h(archarmincludeasm) structthread_info{ unsignedlongflags;/*lowlevelflags*/ intpreempt_count;/*0=>preemptable,<0?=>bug*/ mm_segment_taddr_limit;/*addresslimit*/ structtask_struct*task;/*maintaskstructure*/ [...] structcpu_context_savecpu_context;/*cpucontext*/ [...] };

thread_info 保存了一個進程能被調(diào)度執(zhí)行的最底層信息(low level task data)，例如struct cpu_context_save cpu_context 會在進程切換時用來保存/恢復(fù)寄存器上下文。

內(nèi)核通過內(nèi)核棧的棧指針可以快速地拿到 thread_info：

//thread_info.h(includelinux) staticinlinestructthread_info*current_thread_info(void) { //current_stack_pointer是當前進程內(nèi)核棧的棧指針 return(structthread_info*) (current_stack_pointer&~(THREAD_SIZE-1)); }

然后通過 thread_info 找到 task_struct:

//current.h(includeasm-generic) #definecurrent(current_thread_info()->task)

內(nèi)核里通過 current 宏可以獲得當前進程的 task_struct。

2.3 task_struct 的分配和初始化

當上層應(yīng)用使用 fork() 創(chuàng)建進程時，內(nèi)核會新建一個 task_struct。

進程的創(chuàng)建是個復(fù)雜的工作，可以延伸出無數(shù)的細節(jié)。這里我們只是簡單地了解一下 task_struct 的分配和部分初始化的流程。

fork() 在內(nèi)核里的核心流程：

dup_task_struct() 做了什么？

至于設(shè)置內(nèi)核棧里做了什么，涉及到了進程的創(chuàng)建與切換，不在本文的關(guān)注范圍內(nèi)，以后再研究了。

3. 實驗：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack

實驗?zāi)康模?/p>

梳理 task_struct / thread_info / kernel mode stack 的關(guān)系。

實驗代碼：

#include #include #include staticvoidprint_task_info(structtask_struct*task) { printk(KERN_NOTICE"%10s%5dtask_struct(%p)/stack(%p~%p)/thread_info->task(%p)", task->comm, task->pid, task, task->stack, ((unsignedlong*)task->stack)+THREAD_SIZE, task_thread_info(task)->task); } staticint__inittask_init(void) { structtask_struct*task=current; printk(KERN_INFO"taskmoduleinit "); print_task_info(task); do{ task=task->parent; print_task_info(task); }while(task->pid!=0); return0; } module_init(task_init); staticvoid__exittask_exit(void) { printk(KERN_INFO"taskmoduleexit "); } module_exit(task_exit);

運行效果：

taskmoduleinit insmod3123task_struct(edb42580)/stack(ed46c000~ed474000)/thread_info->task(edb42580) bash2393task_struct(eda13e80)/stack(c9dda000~c9de2000)/thread_info->task(eda13e80) sshd2255task_struct(ee5c9f40)/stack(c9d2e000~c9d36000)/thread_info->task(ee5c9f40) sshd543task_struct(ef15f080)/stack(ee554000~ee55c000)/thread_info->task(ef15f080) systemd1task_struct(ef058000)/stack(ef04c000~ef054000)/thread_info->task(ef058000)

在程序里，我們通過 task_struct 找到 stack，然后通過 stack 找到 thread_info，最后又通過 thread_info->task 找到 task_struct。

4. 相關(guān)參考

Linux 內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn) / 第 3.1 章節(jié)

深入理解 Linux 內(nèi)核 / 3

Linux 內(nèi)核深度解析 / 2.5.1

深入Linux 內(nèi)核架構(gòu) / 2.3

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