Linux进程在内核眼中是什么样子的？

女爷i 2023-01-02 03:30 117阅读 0赞

## 相关视频解析 ##

[Linux内核，进程间通信组件的实现][Linux]  
[linux内核，进程调度器的实现，完全公平调度器 CFS][Linux]

## 从程序到进程再到内核 ##

啥是程序，啥是进程，一张图可以给我们解释：  
![图片][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
程序转换为进程的过程不是本文重点，这里不做详解，详情请看 《Linux 程序编译过程的来龙去脉》。接下来我们转换镜头，站在内核OS的视角看什么是程序，什么是进程。  
ELF可执行文件送给内核后，OS是如何看待它的呢？换句话讲，内核OS眼里只有进程：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
通过 top 命令我们可以看到 linux 的各种进程（即上右图）。

**【文章福利】需要C/C++ Linux服务器架构师学习资料加群812855908（资料包括C/C++，Linux，golang技术，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK，ffmpeg等）**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 内核通过 task\_struct 描述进程 ##

用命令 pstree 可以让内核以树形的结构把进程之间的关系列出来，如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

这是进程在内核中的结构形式，那么内核是如何来以树形结构管理描述这些进程的呢？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，一起来看下今天的主角—— task\_struct 结构体。

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 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
    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
    //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
    volatile long need_resched;
    int lock_depth;  //锁深度
    long nice;       //进程的基本时间片
    //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
    unsigned long policy;
    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
    //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 task_struct *next_task, *prev_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;     //父进程终止时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; 
    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;     //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
    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
    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
    //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
    long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS]; 
    int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
    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
    //进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
    kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
    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
     //文件系统信息
    int link_count, total_link_count;
    //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
    struct tty_struct *tty;
    unsigned int locks;
    //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
    //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;
      //文件系统信息
    struct fs_struct *fs;
      //打开文件信息
    struct files_struct *files;
      //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
    ......
    };

内核就是通过list\_head链表把各个进程关系以树形结构管理起来的。

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。  
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，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

这些信息每类都可以单独开个章节去讲解，这里先简单描述下任务状态的转换，以后篇章再深入介绍各个分类。

## 任务状态转换 ##

上面可以看到变量定义后面的注释，它说明变量内容<0是不运行的，=0是运行状态，>0是停止状态。  
下面我们介绍几个常用的取值：

![图片][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

任务状态在不同情况下的状态转换如下：

![图片图来源于https://www.lagou.com/lgeduarticle/96239.html][https_www.lagou.com_lgeduarticle_96239.html]

## 内核如何存放 task\_struct ##

我们知道一个进程所占的栈空间有用户栈和内核栈。那么内核栈是如何存放进程描述符的呢？

内核栈对于应用程序是不可见的，因为它位于内核空间中。在应用程序执行过程中，如果发生异常、中断或系统调用的话，应用程序会被暂停，系统进入内核态，转去执行异常响应等代码，这个时候所使用的栈就是内核栈。

![图片][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

为了节省空间，linux把内核栈和紧挨着task\_struct的thread\_info放在一起，如上所示，thread\_info中存放了进程/线程(内核不大区分进程与线程)的一些数据，其中包括指向task\_struct结构的指针。数组stack即内核栈，stack占据8K/4K（依配置不同）空间。

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

## **最后** ##

到这里应该已经了解了一个程序如何转换为进程，内核如何描述进程，又如何存储进程，当然还有很多关于进程的描述没有介绍，比如进程的调度，优先级，内存管理等等，这些会在以后的文章里单独分开详细介绍。但这些所有的信息都存储在今天的主角里——task\_struct。

[Linux]: https://www.bilibili.com/video/BV1C64y1F7VE/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/4a1e6b22d86a48fabb33fd1665cebee3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221120/8760acce63f14b81b7cb329ebc71cab4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221120/97a0a170112c4e52a60488a80d7e49cb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221120/c4b5d0c9f3d94deba9fd8c8b92178762.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221120/ad4b289c81354e85903071bfc4944435.png
[https_www.lagou.com_lgeduarticle_96239.html]: /images/20221120/a8cf4b822ff54413a799f09dc0878c67.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221120/23fb74236af140269c72ff3fe9175435.png