Linux 对进程的描述

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-10-07 15:51 150阅读 0赞

进程是操作系统种调度的实体，对进程拥有资源的描述称为进程控制块（PCB, Process Contrl Block）。

## 通过 task\_struct 描述进程 ##

内核里，通过 task\_struct 结构体来描述一个进程，称为进程描述符 (process descriptor)，它保存着支撑一个进程正常运行的所有信息。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。

struct task_struct {
    
    #ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
      /*
       * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this
       * must be the first element of task_struct.
       */
      struct thread_info        thread_info;
    #endif
      volatile long state;
      void *stack;
      ......
      struct mm_struct *mm;
      ......
      pid_t pid;
      ......
      struct task_struct *parent;
      ......
      char comm[TASK_COMM_LEN];
      ......
      struct files_struct *files;
      ......
      struct signal_struct *signal;
    }

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 pid，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

*  struct thread\_info thread\_info: 进程被调度执行的信息
 *  volatile long state：-1是不运行的，=0是运行状态，>0是停止状态。下面是几个比较重要的进程状态以及它们之间的转换流程。![35d5577b649134286d5f677884abc12f.png][]
 *  void \*stack：指向内核栈的指针，内核通过 dup\_task\_struct 为每个进程都分配内核栈空间，并记录在此。
 *  struct mm\_struct \*mm: 与进程地址空间相关的信息。![61d798bc87785c57ced6985964bc63df.png][]
 *  pid\_t pid: 进程标识符
 *  char comm\[TASK\_COMM\_LEN\]: 进程的名称
 *  struct files\_struct \*files: 打开的文件表
 *  struct signal\_struct \*signal: 信号处理相关

## task\_struct, thread\_info 和内核栈 sp 的关系 ##

接着看下 thread\_info 结构：

struct thread_info {
            unsigned long           flags;          /* low level flags */
            mm_segment_t            addr_limit;     /* address limit */
    #ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
            u64                     ttbr0;          /* saved TTBR0_EL1 */
    #endif
            union {
                    u64             preempt_count;  /* 0 => preemptible, <0 => bug */
                    struct {
    #ifdef CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN
                            u32     need_resched;
                            u32     count;
    #else
                            u32     count;
                            u32     need_resched;
    #endif
                    } preempt;
            };
    #ifdef CONFIG_SHADOW_CALL_STACK
            void                    *scs_base;
            void                    *scs_sp;
    #endif
    };

接着再来看下内核栈的定义:

union thread_union {
    #ifndef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
            struct task_struct task;
    #endif
    #ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
            struct thread_info thread_info;
    #endif
            unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
    };

当 CONFIG\_THREAD\_INFO\_IN\_TASK 这个配置打开的时候，则 thread\_union 结构中只存在 stask 成员了。

内核在启动的时候会在 head.S 里通过 \_\_primary\_switched 来做内核栈的初始化：

SYM_FUNC_START_LOCAL(__primary_switched)
            adrp    x4, init_thread_union
            add     sp, x4, #THREAD_SIZE
            adr_l   x5, init_task
            msr     sp_el0, x5                      // Save thread_info

将 init\_thread\_union 的地址保存到 x4，然后偏移 THREAD\_SIZE 栈大小，用于初始化 sp。将 init\_task 进程描述符地址赋值给 x5，并保存到 sp\_el0。

下面再看下 init\_thread\_union 和 init\_task 的定义：

#include/linux/sched/task.h
    extern union thread_union init_thread_union;
    
    #init/init_task.c
    struct task_struct init_task
            __aligned(L1_CACHE_BYTES)
    = {
    #ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
            .thread_info    = INIT_THREAD_INFO(init_task),
            .stack_refcount = REFCOUNT_INIT(1),
    #endif
    .....
     };

故这三者的关系可以通过下图描述：

![fda9d463d0d1dfd2a3278af49f28574c.png][]

## 如何获取当前进程 ##

内核中经常通过 current 宏来获得当前进程对应的 struct task\_sturct 结构，我们借助 current，结合上面介绍的内容，看下具体的实现。

static __always_inline struct task_struct *get_current(void)
    {
        unsigned long sp_el0;
     
        asm ("mrs %0, sp_el0" : "=r" (sp_el0));
     
        return (struct task_struct *)sp_el0;
    }
     
    #define current get_current()

代码比较简单，可以看出通过读取用户空间栈指针寄存器 sp\_el0 的值，然后将此值强转成 task\_struct 结构就可以获得当前进程。（sp\_el0 里存放的是 init\_task，即 thread\_info 地址，thread\_info 又是在 task\_sturct 的开始处，从而找到当前进程。）

![虚线阴影分割线][c6bf7c543c042bfc7682f05b33cbbe1f.png]

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