《深入理解Linux内核3rd》学习笔记——进程描述符

　进程描述符（Process Descriptor），顾名思义，就是进程的描述，即用来描述进程的数据结构，可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识（PID）等，都被封装在了进程描述符这个数据结构中，该数据结构被定义为task_struct。
 

进程状态

　　Linux中的进程有7种状态，进程的task_struct结构的state字段指明了该进程的状态。
可运行状态（TASK_RUNNING）
可中断的等待（TASK_INTERRUPTIBLE）
不可中断的等待（TASK_UNINTERRUPTIBLE）
暂停状态（TASK_STOPPED）
跟踪状态（TASK_TRACED）：进程被调试器暂停或监视。
僵死状态（EXIT_ZOMBIE）：进程被终止，但父进程未调用wait类系统调用。
僵死撤销状态（TASK_DEAD）：父进程发起wait类系统调用，进程由系统删除。
 

标识一个进程

　　标识进程的两种方法：进程描述符地址、PID。PID的值保存在task_struct结构的pid字段中。
　　能够被独立调度的执行上下文都有自己的进程描述符，因此，轻量级进程（LWP）也有自己的task_struct结构。
　　Linux把不同的PID分配给每个进程和LWP（类似地，Windows中也是将PID和TID分配给每个进程和线程，且PID和TID不会相同，注，这里Linux中的LWP类似于Windows中的线程）。
　　Linux中还有线程组的概念，一个线程组的所有线程使用该线程组领头线程的PID，即该组中第一个LWP的PID。这个线程组的PID保存在task_struct结构的tpid字段中，线程组领头线程的tpid和pid的值相同。
 

得到进程描述符地址

　　Linux中，有2个数据结构被紧凑地放在了一起：进程的内核堆栈，thread_info（线程描述符）。一般地，这两个数据结构大小为8192个字节，放在两个连续的页面中，首地址为213的倍数。8KB对于内核堆栈和thread_info来说已经足够了（也可以在编译内核时设置，让这两个数据结构占用一个页面）。这个8KB的起始存放thread_info结构，内核堆栈从末端向下增长。在thread_info结构中，有一个指向进程描述符的指针task，利用该指针可以找到task_struct结构地址。在task_struct结构中，也有一个thread_info指针，指向thread_info结构。
　　因为thread_info和内核堆栈被紧凑地存放在一起，因此，可以从内核堆栈找到thread_info结构地址，继而通过thread_info结构的task指针找到task_struct结构指针。对于8KB而言，得到esp中的值，然后将该值与上0xffffe000，即将低13位清零，就得到了thread_info的地址，然后就可以得到task_struct的地址。
 

进程链表

　　Linux中将多个进程组织成循环双链表的结构，进程链表头是init_task描述符，即0进程或swapper进程的描述符。通过task_struct结构中tasks字段，将多个进程连接成链表的结构。
　　早期的Linux版本中，把所有TASK_RUNNING状态的进程放在一个运行队列中，这样，按照优先级排序该链表的开销比较大，早期的调度程序不得不遍历整个链表来选择最佳的进程。
　　Linux 2.6中的运行队列不同，系统中建立了多个可运行进程链表，即运行队列中包含多个可运行进程链表。每个可运行进程链表对应一个优先级，优先级取值为0~139。假定某个进程优先级为k，那么该进程的task_struct结构中run_list字段就将其连接到优先级为k的可运行进程链表中。另外，在多处理器系统中，每个CPU都有它自己的运行队列。这么多可运行进程链表由prio_array_t数据结构来管理。
 

进程间关系

　　进程之间有父子关系，如果一个进程创建多个子进程，那这些子进程之间就有了兄弟关系。Linux中，进程0和进程1由内核创建，进程1（init）是其他所有进程的祖先。
　　在进程描述符表task_struct结构中，以下字段表示进程间的关系：
real_parent：指向创建进程P的进程的描述符，如果P的父进程不存在，就指向进程1的描述符。
parent：指向P的当前父进程，往往与real_parent一致。当出现Q进程向P发出跟踪调试ptrace()系统调用时，该字段指向Q进程描述符。
children：一个链表头，链表中所有元素都是进程P创建的子进程。
sibling：指向兄弟进程链表的下一个元素或前一个元素的指针。
 
　　另外，进程间还存在其他关系：登录会话关系、进程组关系、线程组关系、跟踪调试关系。
　　在task_struct结构中，以下字段表示这些关系（假设当前进程为P）：
group_leader：P所在进程组的领头进程的描述符指针
signal->pgrp：P所在进程组的领头进程的PID
tgid：P所在线程组的领头进程的PID
signal->session：P所在登录会话领头进程的PID
ptrace_children：一个链表头，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程
ptrace_list：当P被调试跟踪时，指向调试跟踪进程的父进程链表的前一个和下一个元素
 

PID导出进程描述符

　　有些情况需要从PID得到响应的进程描述符指针，比如kill()系统调用。由于顺序扫描进程链表并检查进程描述符的pid字段是比较低效的，因此引入了4个哈希表：
PIDTYPE_PID
PIDTYPE_TGID
PIDTYPE_PGID
PIDTYPE_SID
　　这四个哈希表在内核初始化时动态地分配空间，它们的地址被存入pid_hash数组，其长度依赖于RAM容量。利用pid_hashfn可以将PID转化为表索引。
　　为了防止出现哈希运算带来的冲突，Linux采用拉链法来解决，即引入具有链表的哈希表来处理。
 

进程组织

　　运行队列的链表把TASK_RUNNING状态的所有进程组织在一起。对于其他状态的进程，Linux做如下处理：
TASK_STOPPED、EXIT_ZOMBIE、EXIT_DEAD状态的进程，Linux并没有为它们建立专门的链表，因为访问简单。
TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程被分为很多类，每一类对应一个特定的事件。在这种状态下，进程状态无法提供足够的信息来快速的得到进程，因此引入额外的进程链表是必要的。这些链表称为“等待队列”。
　　等待队列的用途很多，比如中断处理、进程同步、定时等。
　　等待队列由双链表实现，每个等待队列都有一个队头，这是一个wait_queue_head_t的数据结构。该数据结构中有一个spinlock_t类型的lock变量，这是一个自旋锁，用来保证等待队列被互斥的访问和操作。
　　等待队列中元素的类型是wait_queue_t，该数据结构中有一个task字段，是一个进程描述符的指针；有一个func字段，是一个函数指针，表示进程的如何唤醒（即唤醒时调用该函数）；还有一个flags字段，决定了相关进程是互斥进程（flags = 1）还是非互斥进程（flags = 0）。
　　这里解释下互斥进程与非互斥进程。非互斥进程总是由内核在事件发生时唤醒；互斥进程则是由内核在事件发生时有选择地唤醒，比如访问临界区的进程。
 

进程资源限制

　　每个进程都有一组相关的资源限制，指明了进程能够使用的系统资源数量。避免进程过度使用系统资源（CPU、磁盘空间等）。
　　进程资源的限制存放在进程描述符的signal->rlim字段中，该字段是一个类型为rlimit结构的数组，数组中每个元素对应一种资源。
　　用getrlimit()和setrlimit()系统调用，用户能够增加当前资源限制的上限。
　　如果资源限制值为RLIMIT_INFINITY（0xffffffff），就意味着没有对应的资源限制。
 

总结

　　进程描述符（task_struct）某些字段含义，假设进程为P。
state：P进程状态，用set_task_state和set_current_state宏更改之，或直接赋值。
thread_info：指向thread_info结构的指针。
run_list：假设P状态为TASK_RUNNING，优先级为k，run_list将P连接到优先级为k的可运行进程链表中。
tasks：将P连接到进程链表中。
ptrace_children：链表头，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程。
ptrace_list：P被调试时，链表中的所有元素是被调试器程序跟踪的P的子进程。
pid：P进程标识（PID）。
tgid：P所在的线程组的领头进程的PID。
real_parent：P的真实的父进程的进程描述符指针。
parent：P的父进程的进程描述符指针，当被调试时就是调试器进程的描述符指针。
children：P的子进程链表。
sibling：将P连接到P的兄弟进程链表。
group_leader：P所在的线程组的领头进程的描述符指针。