Linux 对进程的描述，


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。

  1. struct task_struct { 
  2.  
  3. #ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 
  4.   /* 
  5.    * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this 
  6.    * must be the first element of task_struct. 
  7.    */ 
  8.   struct thread_info        thread_info; 
  9. #endif 
  10.   volatile long state; 
  11.   void *stack; 
  12.   ...... 
  13.   struct mm_struct *mm; 
  14.   ...... 
  15.   pid_t pid; 
  16.   ...... 
  17.   struct task_struct *parent; 
  18.   ...... 
  19.   char comm[TASK_COMM_LEN]; 
  20.   ...... 
  21.   struct files_struct *files; 
  22.   ...... 
  23.   struct signal_struct *signal; 
  24. } 

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。

  • 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：

  1. struct thread_info { 
  2.         unsigned long           flags;          /* low level flags */ 
  3.         mm_segment_t            addr_limit;     /* address limit */ 
  4. #ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN 
  5.         u64                     ttbr0;          /* saved TTBR0_EL1 */ 
  6. #endif 
  7.         union { 
  8.                 u64             preempt_count;  /* 0 => preemptible, <0 => bug */ 
  9.                 struct { 
  10. #ifdef CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN 
  11.                         u32     need_resched; 
  12.                         u32     count; 
  13. #else 
  14.                         u32     count; 
  15.                         u32     need_resched; 
  16. #endif 
  17.                 } preempt; 
  18.         }; 
  19. #ifdef CONFIG_SHADOW_CALL_STACK 
  20.         void                    *scs_base; 
  21.         void                    *scs_sp; 
  22. #endif 
  23. }; 

接着再来看下内核栈的定义:

  1. union thread_union { 
  2. #ifndef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK 
  3.         struct task_struct task; 
  4. #endif 
  5. #ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 
  6.         struct thread_info thread_info; 
  7. #endif 
  8.         unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; 
  9. }; 

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：

  1. SYM_FUNC_START_LOCAL(__primary_switched) 
  2.         adrp    x4, init_thread_union 
  3.         add     sp, x4, #THREAD_SIZE 
  4.         adr_l   x5, init_task 
  5.         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：

  1. #include/linux/sched/task.h 
  2. extern union thread_union init_thread_union; 
  3.  
  4. #init/init_task.c 
  5. struct task_struct init_task 
  6.         __aligned(L1_CACHE_BYTES) 
  7. = { 
  8. #ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 
  9.         .thread_info    = INIT_THREAD_INFO(init_task), 
  10.         .stack_refcount = REFCOUNT_INIT(1), 
  11. #endif 
  12. ..... 
  13.  }; 

故这三者的关系可以通过下图描述：

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。

  1. static __always_inline struct task_struct *get_current(void) 
  2. { 
  3.     unsigned long sp_el0; 
  4.   
  5.     asm ("mrs %0, sp_el0" : "=r" (sp_el0)); 
  6.   
  7.     return (struct task_struct *)sp_el0; 
  8. } 
  9.   
  10. #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。)

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