Linux内核 / 进程管理 / 如何描述一个进程？

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作者 | 吴伟东

转自 | 嵌入式Hacker

目的：

• 初步了解进程描述符 task_struct。

目录：

1. Linux 的进程
2. 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

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 (include\linux)

struct task_struct {
    struct thread_info thread_info;
    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;
}

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。

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。

• 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。

• 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 (arch\arm\include\asm)

struct thread_info {
 unsigned long flags;  /* low level flags */
 int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */
 mm_segment_t addr_limit; /* address limit */
 struct task_struct *task;  /* main task structure */
    [...]
 struct cpu_context_save cpu_context; /* cpu context */
 [...]
};

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 (include\linux)

static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
    // current_stack_pointer 是当前进程内核栈的栈指针
 return (struct thread_info *)
  (current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

然后通过 thread_info 找到 task_struct:

// current.h (include\asm-generic)

#define current (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 

static void print_task_info(struct task_struct *task)
{
    printk(KERN_NOTICE "%10s %5d task_struct (%p) / stack(%p~%p) / thread_info->task (%p)",
        task->comm, 
        task->pid,
        task,
        task->stack,
        ((unsigned long *)task->stack) + THREAD_SIZE,
        task_thread_info(task)->task);
}

static int __init task_init(void)
{
    struct task_struct *task = current;

    printk(KERN_INFO "task module init\n");

    print_task_info(task);
    do {
        task = task->parent;
        print_task_info(task);
    } while (task->pid != 0);

    return 0;
}
module_init(task_init);

static void __exit task_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "task module exit\n ");
}
module_exit(task_exit);

运行效果：

task module init
    insmod  3123 task_struct (edb42580) / stack(ed46c000~ed474000) / thread_info->task (edb42580)
      bash  2393 task_struct (eda13e80) / stack(c9dda000~c9de2000) / thread_info->task (eda13e80)
      sshd  2255 task_struct (ee5c9f40) / stack(c9d2e000~c9d36000) / thread_info->task (ee5c9f40)
      sshd   543 task_struct (ef15f080) / stack(ee554000~ee55c000) / thread_info->task (ef15f080)
   systemd     1 task_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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