在Linux中如何对进程的描述

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。

struct?task_struct?{
?
#ifdef?CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
??/*
???*?For?reasons?of?header?soup?(see?current_thread_info()),?this
???*?must?be?the?first?element?of?task_struct.
???*/
??struct?thread_info????????thread_info;
#endif
??volatile?long?state;
??void?*stack;
??......
??struct?mm_struct?*mm;
??......
??pid_t?pid;
??......
??struct?task_struct?*parent;
??......
??char?comm[TASK_COMM_LEN];
??......
??struct?files_struct?*files;
??......
??struct?signal_struct?*signal;
}

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。

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2. void *stack：指向内核栈的指针，内核通过 dup_task_struct 为每个进程都分配内核栈空间，并记录在此。
3. struct mm_struct *mm: 与进程地址空间相关的信息。

• 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

接着看下 thread_info 结构：

struct?thread_info?{
????????unsigned?long???????????flags;??????????/*?low?level?flags?*/
????????mm_segment_t????????????addr_limit;?????/*?address?limit?*/
#ifdef?CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
????????u64?????????????????????ttbr0;??????????/*?saved?TTBR0_EL1?*/
#endif
????????union?{
????????????????u64?????????????preempt_count;??/*?0?=>?preemptible,?<0?=>?bug?*/
????????????????struct?{
#ifdef?CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN
????????????????????????u32?????need_resched;
????????????????????????u32?????count;
#else
????????????????????????u32?????count;
????????????????????????u32?????need_resched;
#endif
????????????????}?preempt;
????????};
#ifdef?CONFIG_SHADOW_CALL_STACK
????????void????????????????????*scs_base;
????????void????????????????????*scs_sp;
#endif
};

接着再来看下内核栈的定义:

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

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：

SYM_FUNC_START_LOCAL(__primary_switched)
????????adrp????x4,?init_thread_union
????????add?????sp,?x4,?#THREAD_SIZE
????????adr_l???x5,?init_task
????????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：

#include/linux/sched/task.h
extern?union?thread_union?init_thread_union;
?
#init/init_task.c
struct?task_struct?init_task
????????__aligned(L1_CACHE_BYTES)
=?{
#ifdef?CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
????????.thread_info????=?INIT_THREAD_INFO(init_task),
????????.stack_refcount?=?REFCOUNT_INIT(1),
#endif
.....
?};

故这三者的关系可以通过下图描述：

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。

static?__always_inline?struct?task_struct?*get_current(void)
{
????unsigned?long?sp_el0;
?
????asm?("mrs?%0,?sp_el0"?:?"=r"?(sp_el0));
?
????return?(struct?task_struct?*)sp_el0;
}
?
#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。)