浅析task_struct结构体

task_struct结构体是Linux下的进程控制块PCB，PCB里包含着一个进程的所有信息。

要了解task_struct结构体，就必须要知道什么是进程。进程可以有以下几个定义：

• 一个正在执行的程序。

• 一个正在计算机上执行的程序实例。

• 能分配给处理器并由处理器执行的实体。

• 一个具有以下特征的活动单元：一组指令序列的执行、一个当前状态和相关的系统资源集合。

也可以把进程当成由一组元素组成的实体，进程的两个基本元素是程序代码（可能被执行相同程序的其他进程共享）和与代码相关联的数据集。假设处理器开始执行该程序代码，且我们把这个执行实体称为进程。在进程执行时，任意给的一个时间，进程都可以唯一地被表征为以下元素：

• 标识符：跟这个进程相关的唯一标识符，用来区别其他进程。
• 状态：如果进程正在执行，那么进程处于执行状态。
• 优先级：相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 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。
• 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。 
•  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（如磁带驱动器）和被进程使用的文件列表。 
• 审计信息：可包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，审计号等。 

前述的列表信息被存放在一个称为进程控制块（PCB）的数据结构中，该控制块由操作系统创建和管理。

要了解PCB，就需要知道操作系统执行一个程序的过程，如下图：

进程是动态运行的事例，但是并不是所有的进程都在运行，详情可以参考我写的另外一篇博客：进程的调度算法

https://blog.csdn.net/qq_41209741/article/details/82866480 

每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，在Linux下内核的进程控制块就是task_struct结构体。

task_struct结构体是Linux内核中的一种数据结构，接下来就进入本文的重点：剖析task_struct结构体

（1）进程的标识    PID(process identifier)：

• 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

32位无符号整型数据。但最大值取32767。表示每一个进程的标识符。也是内核提供给用户程序的借口，用户程序通过pid操作程序。因为Unix的原因引入还引入了线程组的概念。称为：tgid。一个线程组中的所有线程使用和该线程组中的第一个轻量级线程的pid，被存在tgid成员中。当进程没有线程时，tgid=pid；当有多线程时，tgid表示的是主线程的id，而pid表示每一个线程自己的id。

（2）进程的状态    volatile long state

state的可能取值是：

• #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

（3）进程的优先级    long priority

Priority的值给出进程每次获取CPU后可使用的时间（按jiffies计）。优先级可通过系统sys_setpriorty改变（在kernel/sys.c中）。

• 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 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。
• 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。 
•  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（如磁带驱动器）和被进程使用的文件列表。 
• 审计信息：可包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，审计号等。 

 

（4）进程调度信息

　　表示当前进程或一个进程允许运行的时间，待到该进程的时间片运行结束，CPU会从运行队列上拿出另一个进程运行。

• need_resched：调度标志
• Nice：静态优先级
• Counter：动态优先级；重新调度进程时会在run_queue中选出Counter值最大的进程。也代表该进程的时间片，运行中不断减少。
• Policy：调度策略开始运行时被赋予的值
• rt_priority：实时优先级

（5）进程通信有关信息（IPC：Inter_Process Communication）

• unsigned long signal：进程接收到的信号。每位表示一种信号，共32种。置位有效。
• unsigned long blocked：进程所能接受信号的位掩码。置位表示屏蔽，复位表示不屏蔽。
• Spinlock_t sigmask_lock：信号掩码的自旋锁
• Long blocked：信号掩码
• Struct sem_undo *semundo：为避免死锁而在信号量上设置的取消操作
• Struct sem_queue *semsleeping：与信号量操作相关的等待队列
• struct signal_struct *sig：信号处理函数

（6）进程信息

　　Linux中存在多进程，而多进程中进程之间的关系可能是父子关系，兄弟关系。
　　除了祖先进程外，其他进程都有一个父进程，通过folk创建出子进程来执行程序。除了表示各自的pid外，子进程的绝大多数信息都是拷贝父进程的信息。且父进程对子进程手握生杀大权，即子进程时是父进程创建出来的，而父进程也可以发送命令杀死子进程。
　　

（7）时间信息

• Start_time：进程创建时间
• Per_cpu_utime：进程在执行时在用户态上耗费的时间。
• Pre_cpu_stime：进程在执行时在系统态上耗费的时间。
• ITIMER_REAL：实时定时器，不论进程是否运行，都在实时更新。
• ITIMER_VIRTUAL：虚拟定时器，只有进程运行在用户态时才会更新。
• ITIMER_PROF：概况定时器，进程在运行处于用户态和系统态时更新。

（8）文件信息

　　文件的打开和关闭都是资源的一种操作，Linux中的task_struct中有两个结构体储存这两个信息。

Sruct fs_struct *fs：进程的可执行映象所在的文件系统，有两个索引点，称为root和pwd，分别指向对应的根目录和当前目录。

Struct files_struct *files：进程打开的文件

（8）地址空间/虚拟内存信息

　　每个进程都有自己的一块虚拟内存空间，用mm_struct来表示，mm_struct中使用两个指针表示一段虚拟地址空间，然后在最终时通过页表映射到真正的物理内存上。

（9）页面管理信息

• Int swappable：进程占用的内存页面是否可换出。
• Unsigned long min_flat,maj_flt,nswap：进程累计换出、换入页面数。
• Unsigned long cmin_flat,cmaj_flt,cnswap：本进程作为祖先进程，其所有层次子进程的累计换出、换入页面数。

（10）对称对处理机信息

• Int has_cpu： 进程是否当前拥有CPU
• Int processor： 进程当前正在使用的CPU
• Int lock_depth： 上下文切换时内核锁的深度

（11）上下文信息：

• struct desc_struct *ldt：进程关于CPU段式存储管理的局部描述符表的指针。
• struct thread_struct tss：任务状态段。与Intel的TSS进行互动，当前运行的TSS保存在PCB的tss中，新选中的的进程的tss保存在TSS。

（12）信号量数据成员

• struct sem_undo *semundo：进程每一次操作一次信号量，都会生成一个undo操作。保存在sem_undo结构体中，最终在进程异常终止结束的时候，sem_undo的成员semadj就会指向一个数组，这个数组中每个成员都表示之前每次undo的量。
• truct sem_queue *semsleeping：进程在操作信号量造成堵塞时，进程会被送入semsleeping指示的关于该信号量的sem_queue队列。

（13）进程队列指针

• struct task_struct *next_task，*prev_task：所有进程均有各自的PCB。且各个PCB会串在一起，形成一个双向链表。其next_task和prev_task就表示上一个或下一个PCB，即前后指针。进程链表的头和尾都是0号进程。
• struct task_struct *next_run，*prev_run：由进程的run_queue中产生作用的，指向上一个或下一个可运行的进程，链表的头和尾都是0号进程。
• struct task_struct *p_opptr：原始父进程（祖先进程）
• struct task_struct *p_pptr ：父进程
• struct task_struct *p_cptr：子进程
• struct task_struct *p_ysptr：弟进程
• struct task_struct *p_osptr：兄进程

　　以上分别是指向原始父进程(original parent)、父进程(parent)、子进程(youngest child)及新老兄弟进程(younger sibling，older sibling)的指针。

• current：当前正在运行进程的指针。
• struct task_struct init_task：0号进程的PCB，进程的跟=根，始终是INIT_TASK。
• char comm[16]：进程正在执行的可执行文件的文件名。
• int errno：进程最后一次出错的错误号。0表示无错误。