概述
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date: 2014-10-14 10:16
1 进程四要素
- 有一段程序供其执行，就好一个演员要有个剧本一样。当然多个进程可以共用同一个剧本。
- 有起码的私有财产，这就是进程专用的系统（内核）空间堆栈。
- 有户口，这就是内核空间中的进程控制块task_struct结构。有了这个户口，内核才能看到它，对它实施调度。同时这个结构又是进程的财产登记卡，记录着进程所占用的各项资源。
- 有独立的用户空间，这就是mm_struct结构。该结构登记在进程的财产登记卡task_struct结构中，字段名称为mm。
这四个要素是必要条件，缺了其中任何一条都不能称其为“进程”。
如果没有第4条那就是“用户线程”（借用父进程的用户空间），更进一步，如果财产登记卡task_struct 结构中的mm字段为NULL，那就是内核线程了（第二章看到的kswapd就是内核线程）。不要把这里的线程与某些系统在用户空间同一进程内实现的“线程”相混淆，那种线程显然不拥有专用独立的系统空间堆栈，也没有对应的task_struct结构，也不作为一个调度单位受内核调度。既然linux内核提供了对线程的支持，一般也就没必要再在进程内部即用户空间中自行实现线程。
另一方面，进程与线程的区分也不是十分严格，一般在讲到进程时常常也包括了线程。 Linux系统运行时的第一个进程（init进程）是在初始化阶段捏造出来的，而此后的进程都是由一个也已存在的进程“细胞分裂”出来的（fork系统调用或者clone系统调用），从这个意义上讲，init进程可称为所有进程的“祖宗”。
2 系统空间堆栈与current
每个进程都有一个task_struct结构与系统空间堆栈，这二者缺一不可，并且具有紧密的联系，所以物理存储空间也连在一起。内核在为每个进程分配一个task_struct结构分配空间时，实际上分配了两个连续的物理页面（共8192字节）。这两个页面的底部用作进程的task_struct结构，结构之上的空间就用作系统空间堆栈，如下图：
注意：系统空间堆栈不像用户空间堆栈那样可以在运行时动态扩展，而是静态地确定了的。所以，在中断服务程序、内核软中断服务程序以及其他设备驱动程序的设计中，不能让函数嵌套太深，也不能使用太多、太大的局部变量，防止系统空间堆栈被耗尽。 task_struct与进程系统空间的这种特殊安排，决定了内核中一些宏操作的定义。 首先是为进程分配和释放task_struct结构的操作：
<include/asm/processor.h>
#define THREAD_SIZE (2*PAGE_SIZE)
#define alloc_task_struct() ((struct task_struct *) _get_free_pages(GFP_KERNEL,1))
#define free_task_struct(p) free_pages((unsigned long) (p), 1)
THREAD_SIZE被定义成两个page的大小。
alloc_task_struct()分配了两个连续页面，并在两个页面的起始地址处，安放task_struct结构。注意，_get_free_pages中的第二个参数1表示分配2^1即两个页面。 其次，当进程在系统空间运行时，常常需要访问当前进程的task_struct结构，为此目的，内核定义了一个宏current。定义如下：
<include/asm/current.h>
static inline struct task_struct * get_current(void)
{
struct task_struct *current;
__asm__("andl %%esp,%0; ":"=r" (current) : "0" (~8191UL));
return current;
}
#define current get_current()
current最终调用get_current()函数，后者使用了嵌入式汇编代码，相信大家现在读来已经不是什么难事了。这里的输入部是一个立即数（~8191UL）即8191取反（取反之后为0xfffffe00），输出部为局部变量current，输入部与输出部共用同一个寄存器。指令部中，将进程系统空间堆栈的栈顶指针esp与0xfffffe000位与。因为task_struct的地址与8K（两个页面的大小）的边界对齐，而进程系统空间堆栈栈顶指针esp在8K空间之内，0xfffffe00为8K减1再求反，用作掩码，esp与该掩码位与即可得到esp所在8K空间的起始地址，即task_struct结构的地址。 与此类似，在进入中断和系统调用时所引用的宏操作GET_CURRENT，在<include/asm/hw_irq.h>中定义：
#define GET_CURRENT
"movl %esp, %ebxnt"
"andl $-8192, %ebxnt"
3 task_struct
task_struct结构定义在<include/linux/sched.h>文件中：
struct task_struct {
volatile long state;
unsigned long flags;
int sigpending;
mm_segment_t addr_limit;
struct exec_domain *exec_domain;
volatile long need_resched;
unsigned long ptrace;
int lock_depth;
long counter;
long nice;
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm;
int has_cpu, processor;
unsigned long cpus_allowed;
struct list_head run_list;
unsigned long sleep_time;
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct linux_binfmt *binfmt;
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal;
unsigned long personality;
int dumpable:1;
int did_exec:1;
pid_t pid;
pid_t pgrp;
pid_t tty_old_pgrp;
pid_t session;
pid_t tgid;
int leader;
struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;
struct list_head thread_group;
struct task_struct *pidhash_next;
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit;
struct semaphore *vfork_sem;
unsigned long rt_priority;
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_incr;
struct timer_list real_timer;
struct tms times;
unsigned long start_time;
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable:1;
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
int ngroups;
gid_t groups[NGROUPS];
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];
unsigned short used_math;
char comm[16];
int link_count;
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
struct sem_undo *semundo;
struct sem_queue *semsleeping;
struct thread_struct thread;
struct fs_struct *fs;
struct files_struct *files;
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig;
sigset_t blocked;
struct sigpending pending;
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
spinlock_t alloc_lock;
};
state: 表示进程的当前运行状态，进程的所有可能状态定义在同一个文件中：
#define TASK_RUNNING 0
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
#define TASK_ZOMBIE 4
#define TASK_STOPPED 8
TASK_RUNNING 状态并不是表示一个进程正在运行，或者是这个进程就是“当前进程”，而是表示这个进程可被调度执行而成为当前进程，是进程表达了希望被调度运行的意愿。当进程处于此状态时，表示进程已经准备就绪或者可以被执行了，内核会将该进程的task_struct结构通过其队列头run_list链入一个“可执行队列”，至于最终调度运行谁，内核会根据调度策略从“可执行队列”中挑选一个进程来调度运行。
TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE 都表示进程处于睡眠状态。不过前者表示浅度睡眠，可以被信号（也成为软中断）唤醒；后者表示深度睡眠而不受信号的打扰。这里的INTERRUPTIBLE或UNINTERRUPTIBLE与“中断”毫无关系，而只是说睡眠能否因其他时间而中断。内核中提供了不同的函数让一个进程进入不同程度的睡眠或将进程从睡眠中唤醒。具体来说，sleep_on和wake_up用于深度睡眠；而interruptible_sleep_on和interruptible_wake_up则用于浅度睡眠。 TASK_ZOMBIE 状态表示进程已经去世（exit）而户口（task_struct）尚未注销。 TASK_STOPPED 主要用于调试目的。进程接收到一个SIGSTOP信号后就将运行状态改成TASK_STOPPED而进入挂起状态，然后在接收到一个SIGCONT信号时又恢复继续运行。
flag： 与进程管理有关的信息，对应的标志位在同一个文件中定义：
/*
* Per process flags
*/
#define PF_ALIGNWARN 0x00000001 /* Print alignment warning msgs */
/* Not implemented yet, only for 486*/
#define PF_STARTING 0x00000002 /* being created */
#define PF_EXITING 0x00000004 /* getting shut down */
#define PF_FORKNOEXEC 0x00000040 /* forked but didn't exec */
#define PF_SUPERPRIV 0x00000100 /* used super-user privileges */
#define PF_DUMPCORE 0x00000200 /* dumped core */
#define PF_SIGNALED 0x00000400 /* killed by a signal */
#define PF_MEMALLOC 0x00000800 /* Allocating memory */
#define PF_VFORK 0x00001000 /* Wake up parent in mm_release */
#define PF_USEDFPU 0x00100000 /* task used FPU this quantum (SMP) */
PF_MEMALLOC我们已经在内存页面分配时见过了，其他的标志位请参考注释。
sigpending： 表示进程收到了信号但尚未处理，与这个标志相联系的是与信号队列有关的sigqueue、sigqueue_tail、sig等指针以及sigmask_lock、signal、blocked等成分。
counter： 与调度有关。
need_resched： 与调度有关，表示CPU从系统空间返回到用户空间前夕要进行一次调度。 上述字段反应了进程的动态特征，下面这些字段则反应了进程的静态特征。
addr_limit： 虚存地址的空间上限。对进程而言就是其用户空间的上限，所以为0xbfffffff；对内核进程而言则是系统空间的上限为0xffffffff。
personality： 看过APUE的都知道，Unix有许多不同的版本和变种，应用程序也就有各自的适用范围。比如Unix SVR4的应用程序未必与为linux开发的其他软件完全兼容。所以每个进程都有其与生俱来的“个性“。文件<include/linux/personality.h>定义了相关的常数。
exec_domain: 除了personality外，应用程序还有一些其他版本间的差异，从而形成了不同的“执行域”。这个指针就指向描述本进程所属执行域的数据结构。
binfmt： 应用程序的文件格式，如a.out、elf等。
exit_code： 退出码，与之相关的exit_signal、pdeath_signal详见《系统调用exit与wait4》。
pid： 进程号。
pgrp： 每个进程除了有一个进程号以外，还属于一个进程组。pgrp指向进程所属的进程组ID。
session： 会话。当一个用户登录到系统后，就开始了一个会话，会话是一个或多个进程组的集合。
leader： 每个会话都一个会话首进程（session leader）。
priority、rt_priority： 优先级别以及“实时”优先级别。
policy： 本进程的调度策略。
parent_exec_id、self_exec_id： 与会话（session）有关。
uid、euid、suid、fsuid、gid、egid、sgid、fsgid： 进程所属的用户ID、有效用户ID、保存的设置用户ID、用于文件系统访问检查的用户ID，组ID、有效组ID、保存的设置组ID，用于文件系统访问检查的组ID。参考后面的内容（也可以参考APUE第二版的第8章）。
cap_effective、cap_inheritable、cap_permitted： 一般进程都不能为所欲为，而是各自被赋予了各种不同的权限。将权利细分，而不是笼统的取决于一个进程是否是“特权进程”，这也是linux安全机制的基础之一（另一个是文件访问权限的设置）。<include/linux/capability.h>定义了许多这样的权限。同时内核定义了一个内联函数capable，用来检查进程是否具有某种权限。
user： 指向一个user_struct结构，该数据结构代表着进程所属的用户。
rlim： 这是一个结构数组，表明进程对各种资源的使用数量所受的限制。我们在第二章用户堆栈的扩展中已经看到了对这种限制的应用（需要获取用户空间堆栈大小的限制等）。数据结构rlimit定义在<include/linux/resource.h>文件中：
struct rlimit {
unsigned long rlim_cur;
unsigned long rlim_max;
};
rlim_cur 为“soft limit”，是当前的限制，rlim_max 为“hard limit”，表示最大限制。rlim_cur的取值不能比rlim_max大。
4 与进程相关的“组织”
每一个进程都不是孤立的存在于系统中，而总是根据不同的目的、关系和需要与其他进程相联系。从内核的角度看，则是要根据不同的目的和性质将每个进程纳入各种组织。
第一个组织就是进程的“家谱”。这是一种树形组织，通过p_opptr、p_pptr、p_cptr、p_ysptr和p_osptr构成。其中p_opptr（original parent，生父）与p_pptr（养父）指向父进程，p_cptr（c代表child）指向最“年轻”（最近创建的）的子进程，而p_ysptr（youngest sibling）和p_osptr（oldest sibling）则分别指向其“弟弟”和“哥哥”。这种“家谱”组织示意如下：
根据p_cptr顺藤摸瓜，一个进程可以找到它所有的子进程。但是想要根据进程号pid找到对应的task_struct还是很难，于是便有了第二个组织。
第二个组织就是按照进程号pid构成的哈希队列。 给定pid，通过哈希计算就可以得到进程的task_struct结构在哈希队列中的下标，进而找到进程对应的task_struct结构。哈希表pidhash定义在<kernel/fork.c>中：
struct task_struct *pidhash[PIDHASH_SZ];
而PIDHASH_SZ定义在<include/linux/sched.h>中：
#define PIDHASH_SZ (4096 >> 2)
可见，哈希表pidhash共有1024个元素，系统同时存在的进程数目不能超过1024个。同时，由于一个指针占4个字节，所以整个哈希表占用4K即一个页面的大小。
当内核需要遍历每一个进程时，这时就需要用到第三个组织。
第三个组织是将每个进程链起来的线性队列。 系统创建的第一个进程为init_task，这个进程就是所有进程的总根，所以它就是这个线性队列的起点。后续每创建一个进程，就通过其task_struct结构中的next_task和prev_task两个指针链入这个队列。
每个进程必然同时身处这三个组织之中，直到进程消亡时才从这三个队列中摘除。
在运行过程中，一个进程随时可能链入“可执行队列”中接受系统调度。一个进程只有在“可执行队列“中才有可能受到调度而投入运行。这就是第四个组织。进程通过task_struct结构中run_list链入可执行队列。
转载于:https://my.oschina.net/u/3857782/blog/1854562
最后
以上就是无私早晨为你收集整理的进程调度之1：进程四要素以及与进程相关的“组织”1 进程四要素2 系统空间堆栈与current3 task_struct4 与进程相关的“组织”的全部内容，希望文章能够帮你解决进程调度之1：进程四要素以及与进程相关的“组织”1 进程四要素2 系统空间堆栈与current3 task_struct4 与进程相关的“组织”所遇到的程序开发问题。
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