Linux的进程
目的：
初步了解进程描述符 task_struct。
目录：
linux的进程
linux 的进程描述符
task_struct
内核如何找到 task_struct
task_struct 的分配和初始化
实验：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack
环境：
linux-4.14 + armv7
1. linux 的进程
进程的术语是 process，是 linux 最基础的抽象，另一个基础抽象是文件。
最简单的理解，进程就是执行中 (executing, 不等于running) 的程序。
更准确一点的理解，进程包括执行中的程序以及相关的资源(包括cpu状态、打开的文件、挂起的信号、tty、内存地址空间等)。
一种简洁的说法：进程 = n*执行流 + 资源，n>=1。
linux 进程的特点：
通过系统调用 fork() 创建进程，fork() 会复制现有进程来创建一个全新的进程。
内核里，并不严格区分进程和线程。
从内核的角度看，调度单位是线程 (即执行流)。可以把线程看做是进程里的一条执行流，1个进程里可以有1个或者多个线程。
内核里，常把进程称为 task 或者 thread，这样描述更准确，因为许多进程就只有1条执行流。
内核通过轻量级进程 (lightweight process) 来支持多线程。1个轻量级进程就对应1个线程，轻量级进程之间可以共享打开的文件、地址空间等资源。
2. linux 的进程描述符
2.1 task_struct
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。
每一个进程，即便是轻量级进程(即线程)，都有1个 task_struct。
sched.h(includelinux) structtask_struct{ structthread_infothread_info; volatilelongstate; void*stack; [...] structmm_struct*mm; [...] pid_tpid; [...] structtask_struct*parent; [...] charcomm[task_comm_len]; [...] structfiles_struct*files; [...] structsignal_struct*signal; }
这是一个庞大的结构体，不仅有许多进程相关的基础字段，还有许多指向其他数据结构的指针。
它包含的字段能完整地描述一个正在执行的程序，包括 cpu 状态、打开的文件、地址空间、挂起的信号、进程状态等。
点击查看大图
作为初学者，先简单地了解部分字段就好：：
struct thread_info thread_info:进程底层信息，平台相关，下面会详细描述。
long state:进程当前的状态，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。
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void *stack:指向进程内核栈，下面会解释。
struct mm_struct *mm:与进程地址空间相关的信息都保存在一个叫内存描述符 (memory descriptor) 的结构体 (mm_struct) 中。
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pid_t pid:进程标识符，本质就是一个数字，是用户空间引用进程的唯一标识。
struct task_struct *parent:父进程的 task_struct。
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。
其他字段，等到有需要的时候再回过头来学习。
2.2 当发生系统调用或者进程切换时，内核如何找到 task_struct ?
对于 arm 架构，答案是：通过内核栈 (kernel mode stack)。
为什么要有内核栈？
因为内核是可重入的，在内核中会有多条与不同进程相关联的执行路径。因此不同的进程处于内核态时，都需要有自己私有的进程内核栈 (process kernel stack)。
当进程从用户态切换到内核态时，所使用的栈会从用户栈切换到内核栈。
至于是如何切换的，关键词是系统调用，这不是本文关注的重点，先放一边，学习内核要懂得恰当的时候忽略细节。
当发生进程切换时，也会切换到目标进程的内核栈。
同上，关键词是硬件上下文切换 (hardware context switch)，忽略具体实现。
无论何时，只要进程处于内核态，就会有内核栈可以使用，否则系统就离崩溃不远了。
arm 架构的内核栈和 task_struct 的关系如下：
内核栈的长度是 thread_size，对于 arm 架构，一般是 2 个页框的大小，即 8kb。
内核将一个较小的数据结构 thread_info 放在内核栈的底部，它负责将内核栈和 task_struct 串联起来。thread_info 是平台相关的，在 arm 架构中的定义如下：
//thread_info.h(archarmincludeasm) structthread_info{ unsignedlongflags;/*lowlevelflags*/ intpreempt_count;/*0=>preemptable,bug*/ mm_segment_taddr_limit;/*addresslimit*/ structtask_struct*task;/*maintaskstructure*/ [...] structcpu_context_savecpu_context;/*cpucontext*/ [...] };
thread_info 保存了一个进程能被调度执行的最底层信息(low level task data)，例如struct cpu_context_save cpu_context 会在进程切换时用来保存/恢复寄存器上下文。
内核通过内核栈的栈指针可以快速地拿到 thread_info：
//thread_info.h(includelinux) staticinlinestructthread_info*current_thread_info(void) { //current_stack_pointer是当前进程内核栈的栈指针 return(structthread_info*) (current_stack_pointer&~(thread_size-1)); }
然后通过 thread_info 找到 task_struct:
//current.h(includeasm-generic) #definecurrent(current_thread_info()->task)
内核里通过 current 宏可以获得当前进程的 task_struct。
2.3 task_struct 的分配和初始化
当上层应用使用 fork() 创建进程时，内核会新建一个 task_struct。
进程的创建是个复杂的工作，可以延伸出无数的细节。这里我们只是简单地了解一下 task_struct 的分配和部分初始化的流程。
fork() 在内核里的核心流程：
dup_task_struct() 做了什么？
至于设置内核栈里做了什么，涉及到了进程的创建与切换，不在本文的关注范围内，以后再研究了。
3. 实验：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack
实验目的：
梳理 task_struct / thread_info / kernel mode stack 的关系。
实验代码：
#include #include #include staticvoidprint_task_info(structtask_struct*task) { printk(kern_notice%10s%5dtask_struct(%p)/stack(%p~%p)/thread_info->task(%p), task->comm, task->pid, task, task->stack, ((unsignedlong*)task->stack)+thread_size, task_thread_info(task)->task); } staticint__inittask_init(void) { structtask_struct*task=current; printk(kern_infotaskmoduleinit ); print_task_info(task); do{ task=task->parent; print_task_info(task); }while(task->pid!=0); return0; } module_init(task_init); staticvoid__exittask_exit(void) { printk(kern_infotaskmoduleexit ); } module_exit(task_exit);
运行效果：
taskmoduleinit insmod3123task_struct(edb42580)/stack(ed46c000~ed474000)/thread_info->task(edb42580) bash2393task_struct(eda13e80)/stack(c9dda000~c9de2000)/thread_info->task(eda13e80) sshd2255task_struct(ee5c9f40)/stack(c9d2e000~c9d36000)/thread_info->task(ee5c9f40) sshd543task_struct(ef15f080)/stack(ee554000~ee55c000)/thread_info->task(ef15f080) systemd1task_struct(ef058000)/stack(ef04c000~ef054000)/thread_info->task(ef058000)
在程序里，我们通过 task_struct 找到 stack，然后通过 stack 找到 thread_info，最后又通过 thread_info->task 找到 task_struct。
4. 相关参考
linux 内核设计与实现 / 第 3.1 章节
深入理解 linux 内核 / 3
linux 内核深度解析 / 2.5.1
深入linux 内核架构 / 2.3
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1. linux 的进程
进程的术语是 process，是 linux 最基础的抽象，另一个基础抽象是文件。
最简单的理解，进程就是执行中 (executing, 不等于running) 的程序。
更准确一点的理解，进程包括执行中的程序以及相关的资源(包括cpu状态、打开的文件、挂起的信号、tty、内存地址空间等)。
一种简洁的说法：进程 = n*执行流 + 资源，n>=1。
linux 进程的特点：
通过系统调用 fork() 创建进程，fork() 会复制现有进程来创建一个全新的进程。
内核里，并不严格区分进程和线程。
从内核的角度看，调度单位是线程 (即执行流)。可以把线程看做是进程里的一条执行流，1个进程里可以有1个或者多个线程。
内核里，常把进程称为 task 或者 thread，这样描述更准确，因为许多进程就只有1条执行流。
内核通过轻量级进程 (lightweight process) 来支持多线程。1个轻量级进程就对应1个线程，轻量级进程之间可以共享打开的文件、地址空间等资源。
2. linux 的进程描述符
2.1 task_struct
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。
每一个进程，即便是轻量级进程(即线程)，都有1个 task_struct。
sched.h(includelinux) structtask_struct{ structthread_infothread_info; volatilelongstate; void*stack; [...] structmm_struct*mm; [...] pid_tpid; [...] structtask_struct*parent; [...] charcomm[task_comm_len]; [...] structfiles_struct*files; [...] structsignal_struct*signal; }
这是一个庞大的结构体，不仅有许多进程相关的基础字段，还有许多指向其他数据结构的指针。
它包含的字段能完整地描述一个正在执行的程序，包括 cpu 状态、打开的文件、地址空间、挂起的信号、进程状态等。
点击查看大图
作为初学者，先简单地了解部分字段就好：：
struct thread_info thread_info:进程底层信息，平台相关，下面会详细描述。
long state:进程当前的状态，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。
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void *stack:指向进程内核栈，下面会解释。
struct mm_struct *mm:与进程地址空间相关的信息都保存在一个叫内存描述符 (memory descriptor) 的结构体 (mm_struct) 中。
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pid_t pid:进程标识符，本质就是一个数字，是用户空间引用进程的唯一标识。
struct task_struct *parent:父进程的 task_struct。
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。
其他字段，等到有需要的时候再回过头来学习。
2.2 当发生系统调用或者进程切换时，内核如何找到 task_struct ?
对于 arm 架构，答案是：通过内核栈 (kernel mode stack)。
为什么要有内核栈？
因为内核是可重入的，在内核中会有多条与不同进程相关联的执行路径。因此不同的进程处于内核态时，都需要有自己私有的进程内核栈 (process kernel stack)。
当进程从用户态切换到内核态时，所使用的栈会从用户栈切换到内核栈。
至于是如何切换的，关键词是系统调用，这不是本文关注的重点，先放一边，学习内核要懂得恰当的时候忽略细节。
当发生进程切换时，也会切换到目标进程的内核栈。
同上，关键词是硬件上下文切换 (hardware context switch)，忽略具体实现。
无论何时，只要进程处于内核态，就会有内核栈可以使用，否则系统就离崩溃不远了。
arm 架构的内核栈和 task_struct 的关系如下：
内核栈的长度是 thread_size，对于 arm 架构，一般是 2 个页框的大小，即 8kb。
内核将一个较小的数据结构 thread_info 放在内核栈的底部，它负责将内核栈和 task_struct 串联起来。thread_info 是平台相关的，在 arm 架构中的定义如下：
//thread_info.h(archarmincludeasm) structthread_info{ unsignedlongflags;/*lowlevelflags*/ intpreempt_count;/*0=>preemptable,bug*/ mm_segment_taddr_limit;/*addresslimit*/ structtask_struct*task;/*maintaskstructure*/ [...] structcpu_context_savecpu_context;/*cpucontext*/ [...] };
thread_info 保存了一个进程能被调度执行的最底层信息(low level task data)，例如struct cpu_context_save cpu_context 会在进程切换时用来保存/恢复寄存器上下文。
内核通过内核栈的栈指针可以快速地拿到 thread_info：
//thread_info.h(includelinux) staticinlinestructthread_info*current_thread_info(void) { //current_stack_pointer是当前进程内核栈的栈指针 return(structthread_info*) (current_stack_pointer&~(thread_size-1)); }
然后通过 thread_info 找到 task_struct:
//current.h(includeasm-generic) #definecurrent(current_thread_info()->task)
内核里通过 current 宏可以获得当前进程的 task_struct。
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#include #include #include staticvoidprint_task_info(structtask_struct*task) { printk(kern_notice%10s%5dtask_struct(%p)/stack(%p~%p)/thread_info->task(%p), task->comm, task->pid, task, task->stack, ((unsignedlong*)task->stack)+thread_size, task_thread_info(task)->task); } staticint__inittask_init(void) { structtask_struct*task=current; printk(kern_infotaskmoduleinit ); print_task_info(task); do{ task=task->parent; print_task_info(task); }while(task->pid!=0); return0; } module_init(task_init); staticvoid__exittask_exit(void) { printk(kern_infotaskmoduleexit ); } module_exit(task_exit);
运行效果：
taskmoduleinit insmod3123task_struct(edb42580)/stack(ed46c000~ed474000)/thread_info->task(edb42580) bash2393task_struct(eda13e80)/stack(c9dda000~c9de2000)/thread_info->task(eda13e80) sshd2255task_struct(ee5c9f40)/stack(c9d2e000~c9d36000)/thread_info->task(ee5c9f40) sshd543task_struct(ef15f080)/stack(ee554000~ee55c000)/thread_info->task(ef15f080) systemd1task_struct(ef058000)/stack(ef04c000~ef054000)/thread_info->task(ef058000)
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