【Linux】Linux 中进程控制块 PCB —— task_struct 结构体结构

在 Linux 中每一个进程都由 task_struct 数据结构来定义。task_struct 就是我们通常所说的 PCB。它是对进程控制的唯一手段，也是最有效的手段。当我们调用 fork() 时，系统会为我们产生一个 task_struct 结构。然后从父进程那里继承一些数据，并把新的进程插入到进程树中，以待进行进程管理。因此了解 task_struct 的结构对于我们理解任务调度（在 Linux 中任务和进程是同一概念）的关键。

    在进行剖析 task_struct 的定义之前，我们先按照我们的理论推一下它的结构：

1. 进程状态，将纪录进程在等待，运行，或死锁
2. 调度信息，由哪个调度函数调度，怎样调度等
3. 进程的通讯状况
4. 因为要插入进程树，必须有联系父子兄弟的指针，当然是 task_struct 型
5. 时间信息，比如计算好执行的时间，以便 cpu 分配
6. 标号，决定改进程归属
7. 可以读写打开的一些文件信息
8. 进程上下文和内核上下文
9. 处理器上下文
10. 内存信息

因为每一个 PCB 都是这样的，只有这些结构才能满足一个进程的所有要求。打开 /include/linux/sched.h 可以找到 task_struct 的定义。

Linux 中 task_struct 用来控制管理进程，结构如下：

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

    volatile long need_resched;
    
    // 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
    
    int lock_depth; // 锁深度  
    long nice; // 进程的基本时间片     
    unsigned long policy;

    // 进程的调度策略,有三种
    // 实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR
    // 分时进程:SCHED_OTHER

    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
    struct task_struct *next_task, *prev_task;

    // 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 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; // 父进程终止是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;

    // 按POSIX要求设计的布尔量
    // 区分进程正在执行从父进程中继承的代码,还是执行由execve装入的新程序代码

    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; // 标志，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pidhash
    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。
    // Real定时器根据系统时间实时更新，不管进程是否在运行Virtual定时器只在进程运行时，根据进程在用户态消耗的时间更新Profile定时器在进程运行时，根据进程消耗的时（不管在用户态还是内核态）更新

    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
    long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; // 记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
    //mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific
    //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
    // process credentials 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
    kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted; // 进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
    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
    // file system info文件系统信息
    int link_count, total_link_count;
    struct tty_struct *tty; // 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
    unsigned int locks;
    // ipc stuff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
    // CPU-specific state of this task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;
    // filesystem information文件系统信息
    struct fs_struct *fs;
    // open file information打开文件信息
    struct files_struct *files;
    // signal handlers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;
    //Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty
    spinlock_t alloc_lock;
    void *journal_info;
 };