02.进程原理与系统调用

段舸有话讲 2022-01-30

284

虎

点击蓝字关注我们

年

SPRING FESTIVAL

1.进程

定义:（英语：process），是指计算机中已执行的程序。进程曾经是分时系统的基本运作单位。在面向进程设计的系统（如早期的UNIX，Linux 2.4及更早的版本）中，进程是程序的基本执行实体；在面向线程设计的系统（如当代多数操作系统、Linux 2.6及更新的版本）中，进程本身不是基本执行单位，而是线程的容器。

进程状态之间的转换

进程的四个要素:

有一段程序代其执行
有进程专用的系统堆栈空间
内核有task_struct数据结构
进程有独立的存储空间,有专门的用户空间

注意:如果缺少第四条,称之为"线程",如果完全没有用户空间,称为"内核线程",如果有共享空间,则称之为"线程空间";

2.进程描述符task_struct数据结构分析

//进程描述符
struct task_struct {
    //进程的状态: -1 就绪态 0:运行态 >0停止态
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    void *stack; //指向内核栈指针
    atomic_t usage; //有多少进程使用此结构
    unsigned int flags; /* per process flags, defined below */  //标记
    unsigned int ptrace; //ptrace系统调用,实现断点调试,跟踪进程的运行

//条件编译多处理器
#ifdef CONFIG_SMP
    struct llist_node wake_entry;
    int on_cpu;
    unsigned int wakee_flips;
    unsigned long wakee_flip_decay_ts;
    struct task_struct *last_wakee;

    int wake_cpu;
#endif
    //运行队列和进程调试相关程序
    int on_rq;

    int prio, static_prio, normal_prio; //关于进程调试
    unsigned int rt_priority;  //优先级

    //关于进程
    const struct sched_class *sched_class;
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt;

    //结构体链表
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
    struct task_group *sched_task_group;
#endif
    struct sched_dl_entity dl;

#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
    /* list of struct preempt_notifier: */
    struct hlist_head preempt_notifiers;
#endif

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
    unsigned int btrace_seq;
#endif

//块设备I/O层的跟踪工具
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
    unsigned int btrace_seq;
#endif

    //进程调试策略相关的字段
    unsigned int policy;
    int nr_cpus_allowed;
    cpumask_t cpus_allowed;

//RCU同步原语
#ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU
    int rcu_read_lock_nesting;
    union rcu_special rcu_read_unlock_special;
    struct list_head rcu_node_entry;
    struct rcu_node *rcu_blocked_node;
#endif /* #ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU */
#ifdef CONFIG_TASKS_RCU
    unsigned long rcu_tasks_nvcsw;
    bool rcu_tasks_holdout;
    struct list_head rcu_tasks_holdout_list;
    int rcu_tasks_idle_cpu;
#endif /* #ifdef CONFIG_TASKS_RCU */

#ifdef CONFIG_SCHED_INFO
    struct sched_info sched_info;
#endif

//进程架构链表
    struct list_head tasks;
#ifdef CONFIG_SMP
    struct plist_node pushable_tasks;
    struct rb_node pushable_dl_tasks;
#endif

    struct mm_struct *mm, *active_mm;
    //进程管理的地址空间,每个进程有着独立的地址空间4G,32位x86
    /* per-thread vma caching */
    u32 vmacache_seqnum;
    struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE];
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
    struct task_rss_stat    rss_stat;
#endif

//进程状态参数
/* task state */
    int exit_state;
    int exit_code, exit_signal;
    //接受父进程终止时就会发出信号
    int pdeath_signal;  /*  The signal sent when the parent dies  */
    unsigned long jobctl;   /* JOBCTL_*, siglock protected */

    /* Used for emulating ABI behavior of previous Linux versions */
    unsigned int personality;

    /* scheduler bits, serialized by scheduler locks */
    unsigned sched_reset_on_fork:1;
    unsigned sched_contributes_to_load:1;
    unsigned sched_migrated:1;
    unsigned :0; /* force alignment to the next boundary */

    /* unserialized, strictly 'current' */
    unsigned in_execve:1; /* bit to tell LSMs we're in execve */
    unsigned in_iowait:1;
#ifdef CONFIG_MEMCG
    unsigned memcg_may_oom:1;
#endif
#ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
    unsigned memcg_kmem_skip_account:1;
#endif
#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
    unsigned brk_randomized:1;
#endif

    unsigned long atomic_flags; /* Flags needing atomic access. */

    struct restart_block restart_block;


//进程pid,父进程tgid
    pid_t pid;
    pid_t tgid;
    //防止内核堆栈的溢出
#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
    /* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
    unsigned long stack_canary;
#endif
    /*
     * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
     * older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with
     * p->real_parent->pid)
     */

    //初始化父进程
    struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
    //终止接受进程
    struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
    /*
     * children/sibling forms the list of my natural children
     */
    //维护子进程链表
    struct list_head children;  /* list of my children */
    //兄弟进程链表
    struct list_head sibling;   /* linkage in my parent's children list */
    //线程组组长
    struct task_struct *group_leader;   /* threadgroup leader */

    /*
     * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
     * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
     * p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
     */

    //系统调用 关于断开调试
    struct list_head ptraced;
    struct list_head ptrace_entry;

    /* PID/PID hash table linkage. */
    //PID/PID散列表的关系
    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
    struct list_head thread_group;
    struct list_head thread_node;

    //do_fork()函数
    struct completion *vfork_done;      /* for vfork() */
    int __user *set_child_tid;      /* CLONE_CHILD_SETTID */
    int __user *clear_child_tid;        /* CLONE_CHILD_CLEARTID */

    //描述CPU时间的内容
    //utime 用户态下执行的时间
    //stime 内核态下的执行时间
    cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
    cputime_t gtime;
    struct prev_cputime prev_cputime;
#ifdef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING_GEN
    seqlock_t vtime_seqlock;
    unsigned long long vtime_snap;
    enum {
        VTIME_SLEEPING = 0,
        VTIME_USER,
        VTIME_SYS,
    } vtime_snap_whence;
#endif
    unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
    u64 start_time;     /* monotonic time in nsec */
    u64 real_start_time;    /* boot based time in nsec */
/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
    unsigned long min_flt, maj_flt;

    struct task_cputime cputime_expires;
    struct list_head cpu_timers[3];

/* process credentials */
    const struct cred __rcu *real_cred; /* objective and real subjective task
                     * credentials (COW) */
    const struct cred __rcu *cred;  /* effective (overridable) subjective task
                     * credentials (COW) */
    char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
                     - access with [gs]et_task_comm (which lock
                       it with task_lock())
                     - initialized normally by setup_new_exec */
/* file system info */
    struct nameidata *nameidata;
#ifdef CONFIG_SYSVIPC
/* ipc stuff */
    struct sysv_sem sysvsem;
    struct sysv_shm sysvshm;
#endif
#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
/* hung task detection */
    unsigned long last_switch_count;
#endif
/* filesystem information */
    struct fs_struct *fs;
/* open file information */
    struct files_struct *files;
/* namespaces */
    struct nsproxy *nsproxy;
/* signal handlers */
    struct signal_struct *signal;
    struct sighand_struct *sighand;

    sigset_t blocked, real_blocked;
    sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
    struct sigpending pending;

    unsigned long sas_ss_sp;
    size_t sas_ss_size;

    struct callback_head *task_works;

    struct audit_context *audit_context;
#ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL
    kuid_t loginuid;
    unsigned int sessionid;
#endif
    struct seccomp seccomp;

/* Thread group tracking */
       u32 parent_exec_id;
       u32 self_exec_id;
/* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed,
 * mempolicy */
    spinlock_t alloc_lock;

    /* Protection of the PI data structures: */
    raw_spinlock_t pi_lock;

    struct wake_q_node wake_q;

#ifdef CONFIG_RT_MUTEXES
    /* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */
    struct rb_root pi_waiters;
    struct rb_node *pi_waiters_leftmost;
    /* Deadlock detection and priority inheritance handling */
    struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on;
#endif

#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
    /* mutex deadlock detection */
    struct mutex_waiter *blocked_on;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
    unsigned int irq_events;
    unsigned long hardirq_enable_ip;
    unsigned long hardirq_disable_ip;
    unsigned int hardirq_enable_event;
    unsigned int hardirq_disable_event;
    int hardirqs_enabled;
    int hardirq_context;
    unsigned long softirq_disable_ip;
    unsigned long softirq_enable_ip;
    unsigned int softirq_disable_event;
    unsigned int softirq_enable_event;
    int softirqs_enabled;
    int softirq_context;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
# define MAX_LOCK_DEPTH 48UL
    u64 curr_chain_key;
    int lockdep_depth;
    unsigned int lockdep_recursion;
    struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
    gfp_t lockdep_reclaim_gfp;
#endif

/* journalling filesystem info */

    void *journal_info;  //日志文件系统信息

/* stacked block device info */
    struct bio_list *bio_list;  //块设备链表

#ifdef CONFIG_BLOCK
/* stack plugging */
    struct blk_plug *plug; 
#endif

/* VM state */  //虚拟内存状态参数

    struct reclaim_state *reclaim_state; //虚拟内存状态,内存回收

    struct backing_dev_info *backing_dev_info; //存放块设备I/O流量信息

    struct io_context *io_context; //I/O调度器所用的信息

    unsigned long ptrace_message;
    siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */
    struct task_io_accounting ioac;
#if defined(CONFIG_TASK_XACCT)
    u64 acct_rss_mem1;  /* accumulated rss usage */
    u64 acct_vm_mem1;   /* accumulated virtual memory usage */
    cputime_t acct_timexpd; /* stime + utime since last update */
#endif
#ifdef CONFIG_CPUSETS
    nodemask_t mems_allowed;    /* Protected by alloc_lock */
    seqcount_t mems_allowed_seq;    /* Seqence no to catch updates */
    int cpuset_mem_spread_rotor;
    int cpuset_slab_spread_rotor;
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUPS
    /* Control Group info protected by css_set_lock */
    struct css_set __rcu *cgroups;
    /* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
    struct list_head cg_list;
#endif
//futex同步机制
#ifdef CONFIG_FUTEX
    struct robust_list_head __user *robust_list;
#ifdef CONFIG_COMPAT
    struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list;
#endif
    struct list_head pi_state_list;
    struct futex_pi_state *pi_state_cache;
#endif
//内存检测工具Perfromance Event
#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
    struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];
    struct mutex perf_event_mutex;
    struct list_head perf_event_list;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_PREEMPT
    unsigned long preempt_disable_ip;
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
    struct mempolicy *mempolicy;    /* Protected by alloc_lock */
    short il_next;
    short pref_node_fork;
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA_BALANCING
    int numa_scan_seq;
    unsigned int numa_scan_period;
    unsigned int numa_scan_period_max;
    int numa_preferred_nid;
    unsigned long numa_migrate_retry;
    u64 node_stamp;         /* migration stamp  */
    u64 last_task_numa_placement;
    u64 last_sum_exec_runtime;
    struct callback_head numa_work;

    struct list_head numa_entry;
    struct numa_group *numa_group;

    /*
     * numa_faults is an array split into four regions:
     * faults_memory, faults_cpu, faults_memory_buffer, faults_cpu_buffer
     * in this precise order.
     *
     * faults_memory: Exponential decaying average of faults on a per-node
     * basis. Scheduling placement decisions are made based on these
     * counts. The values remain static for the duration of a PTE scan.
     * faults_cpu: Track the nodes the process was running on when a NUMA
     * hinting fault was incurred.
     * faults_memory_buffer and faults_cpu_buffer: Record faults per node
     * during the current scan window. When the scan completes, the counts
     * in faults_memory and faults_cpu decay and these values are copied.
     */
    unsigned long *numa_faults;
    unsigned long total_numa_faults;

    /*
     * numa_faults_locality tracks if faults recorded during the last
     * scan window were remote/local or failed to migrate. The task scan
     * period is adapted based on the locality of the faults with different
     * weights depending on whether they were shared or private faults
     */
    unsigned long numa_faults_locality[3];

    unsigned long numa_pages_migrated;
#endif /* CONFIG_NUMA_BALANCING */

#ifdef CONFIG_ARCH_WANT_BATCHED_UNMAP_TLB_FLUSH
    struct tlbflush_unmap_batch tlb_ubc;
#endif

    struct rcu_head rcu; //RCU链表

    /*
     * cache last used pipe for splice
     */
    struct pipe_inode_info *splice_pipe; //管道

    struct page_frag task_frag;

//延迟计数
#ifdef    CONFIG_TASK_DELAY_ACCT
    struct task_delay_info *delays;
#endif

复制