Linux（四）：Linux中的进程控制块（PCB）—task_struct(部分字段）

Bertha 。 2022-07-12 08:47 273阅读 0赞

进程控制块（PCB）

每个进程在内核中都有一个进程控制块(PCB)来维护进程相关的信息,Linux内核的进程控制块是task\_struct结构体。现在我们全面了解下其中都有哪些信息。  
在Linux中，这个结构叫做task\_struct。task\_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM里并且包含着进程的信息。每个进程都把它的信息放在task\_struct这个数据结构里， task\_struct包含了这些内容：  
标示符 ： 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。  
状态 ： 任务状态，退出代码，退出信号等。  
优先级 ： 相对于其他进程的优先级。  
程序计数器： 程序中即将被执行的下一条指令的地址。  
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  
上下⽂数据： 进程执行时处理器的寄存器中的数据。  
I／O状态信息：包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。  
记账信息： 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。  
保存进程信息的数据结构叫做 task\_struct，并且可以在include/linux/sched.h⾥找到它。所有运行在系统里的进程都以task\_struct链表的形式存在内核里。

1. 调度数据成员  
(1) volatile long states;  
表示进程的当前状态:  
TASK\_RUNNING:正在运行或在就绪队列run-queue中准备运行的进程，实际参与进程调度。

TASK\_INTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，也可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒后进入就绪队列run-queue。

TASK\_UNINTERRUPTIBLE:处于等待队列中的进程，待资源有效时唤醒，不可由其它进程通过信号(signal)或定时中断唤醒。  
TASK\_ZOMBIE:表示进程结束但尚未消亡的一种状态(僵死状态)。此时，进程已经结束运行且释放大部分资源，但尚未释放进程控制块。  
TASK\_STOPPED:进程被暂停，通过其它进程的信号才能唤醒。导致这种状态的原因有二，或者是对收到SIGSTOP、SIGSTP、SIGTTIN或SIGTTOU信号的反应，或者是受其它进程的ptrace系统调用的控制而暂时将CPU交给控制进程。  
TASK\_SWAPPING: 进程页面被交换出内存的进程。  
(2) unsigned long flags;  
进程标志:  
PF\_ALIGNWARN 打印“对齐”警告信息。  
PF\_PTRACED 被ptrace系统调用监控。  
PF\_TRACESYS 正在跟踪。  
PF\_FORKNOEXEC 进程刚创建，但还没执行。  
PF\_SUPERPRIV 超级用户特权。  
PF\_DUMPCORE dumped core。  
PF\_SIGNALED 进程被信号(signal)杀出。  
PF\_STARTING 进程正被创建。  
PF\_EXITING 进程开始关闭。  
PF\_USEDFPU 该进程使用FPU(SMP only)。  
PF\_DTRACE delayed trace (used on m68k)。  
(3) long priority;  
进程优先级。 Priority的值给出进程每次获取CPU后可使用的时间(按jiffies计)。优先级可通过系统调用sys\_setpriorty改变(在kernel/sys.c中)。  
(4) unsigned long rt\_priority;  
rt\_priority给出实时进程的优先级，rt\_priority+1000给出进程每次获取CPU后可使用的时间(同样按jiffies计)。实时进程的优先级可通过系统调用sys\_sched\_setscheduler()改变(见kernel/sched.c)。  
(5) long counter;  
在轮转法调度时表示进程当前还可运行多久。在进程开始运行是被赋为priority的值，以后每隔一个tick(时钟中断)递减1，减到0时引起新一轮调度。重新调度将从run\_queue队列选出counter值最大的就绪进程并给予CPU使用权，因此counter起到了进程的动态优先级的作用(priority则是静态优先级)。  
(6) unsigned long policy;  
该进程的进程调度策略，可以通过系统调用sys\_sched\_setscheduler()更改(见kernel/sched.c)。调度策略有:  
SCHED\_OTHER 0 非实时进程，基于优先权的轮转法(round robin)。  
SCHED\_FIFO 1 实时进程，用先进先出[算法][Link 1]。  
SCHED\_RR 2 实时进程，用基于优先权的轮转法。  
2. 信号处理  
(1) unsigned long signal;  
进程接收到的信号。每位表示一种信号，共32种。置位有效。  
(2) unsigned long blocked;  
进程所能接受信号的位掩码。置位表示屏蔽，复位表示不屏蔽。  
(3) struct signal\_struct \*sig;  
因为signal和blocked都是32位的变量，Linux最多只能接受32种信号。对每种信号，各进程可以由PCB的sig属性选择使用自定义的处理函数，或是系统的缺省处理函数。指派各种信息处理函数的结构定义在include/linux/sched.h中。对信号的检查安排在系统调用结束后，以及“慢速型”中断服务程序结束后(IRQ\#\_interrupt()，参见Array。5节“启动内核”)。  
3. 进程队列指针  
(1) struct task\_struct \*next\_task，\*prev\_task;  
所有进程(以PCB的形式)组成一个双向链表。next\_task和就是链表的前后指针。链表的头和尾都是init\_task(即0号进程)。  
(2) struct task\_struct \*next\_run，\*prev\_run;  
由正在运行或是可以运行的，其进程状态均为TASK\_RUNNING的进程所组成的一个双向循环链表，即run\_queue就绪队列。该链表的前后向指针用next\_run和prev\_run，链表的头和尾都是init\_task(即0号进程)。  
(3) struct task\_struct \*p\_opptr，\*p\_pptr;和struct task\_struct \*p\_cptr，\*p\_ysptr，\*p\_osptr;  
以上分别是指向原始父进程(original parent)、父进程(parent)、子进程(youngest child)及新老兄弟进程(younger sibling，older sibling)的指针。  
  
4. 进程标识  
(1) unsigned short uid，gid;  
uid和gid是运行进程的用户标识和用户组标识。  
(2) int groups\[NGROUPS\];  
与多数现代UNIX[操作系统][Link 2]一样，Linux允许进程同时拥有一组用户组号。在进程访问文件时，这些组号可用于合法性检查。  
(3) unsigned short euid，egid;  
euid和egid又称为有效的uid和gid。出于系统安全的权限的考虑，运行程序时要检查euid和egid的合法性。通常，uid等于euid，gid等于egid。有时候，系统会赋予一般用户暂时拥有root的uid和gid(作为用户进程的euid和egid)，以便于进行运作。  
(4) unsigned short fsuid，fsgid;  
fsuid和fsgid称为文件系统的uid和gid，用于文件系统操作时的合法性检查，是Linux独特的标识类型。它们一般分别和euid和egid一致，但在NFS文件系统中NFS服务器需要作为一个特殊的进程访问文件，这时只修改客户进程的fsuid和fsgid。  
(5) unsigned short suid，sgid;  
suid和sgid是根据POSIX标准引入的，在系统调用改变uid和gid时，用于保留真正的uid和gid。  
(6) int pid，pgrp，session;  
进程标识号、进程的组织号及session标识号，相关系统调用(见程序kernel/sys.c)有sys\_setpgid、sys\_getpgid、sys\_setpgrp、sys\_getpgrp、sys\_getsid及sys\_setsid几种。  
(7) int leader;  
是否是session的主管，布尔量。  
5. 时间数据成员  
(1) unsigned long timeout;  
用于软件定时，指出进程间隔多久被重新唤醒。采用tick为单位。  
(2) unsigned long it\_real\_value，it\_real\_iner;  
用于itimer(interval timer)软件定时。采用jiffies为单位，每个tick使it\_real\_value减到0时向进程发信号SIGALRM，并重新置初值。初值由it\_real\_incr保存。具体代码见kernel/itimer.c中的函数it\_real\_fn()。  
(3) struct timer\_list real\_timer;  
一种定时器结构(Linux共有两种定时器结构，另一种称作old\_timer)。[数据结构][Link 1]的定义在include/linux/timer.h中，相关操作函数见kernel/sched.c中add\_timer()和del\_timer()等。  
(4) unsigned long it\_virt\_value，it\_virt\_incr;  
关于进程用户态执行时间的itimer软件定时。采用jiffies为单位。进程在用户态运行时，每个tick使it\_virt\_value减1，减到0时向进程发信号SIGVTALRM，并重新置初值。初值由it\_virt\_incr保存。具体代码见kernel/sched.c中的函数do\_it\_virt()。  
(5) unsigned long it\_prof\_value，it\_prof\_incr;  
同样是itimer软件定时。采用jiffies为单位。不管进程在用户态或内核态运行，每个tick使it\_prof\_value减1，减到0时向进程发信号SIGPROF，并重新置初值。初值由it\_prof\_incr保存。 具体代码见kernel/sched.c中的函数do\_it\_prof。  
(6) long utime，stime，cutime，cstime，start\_time;  
以上分别为进程在用户态的运行时间、进程在内核态的运行时间、所有层次子进程在用户态的运行时间总和、所有层次子进程在核心态的运行时间总和，以及创建该进程的时间。  
6. 信号量数据成员  
(1) struct sem\_undo \*semundo;  
进程每操作一次信号量，都生成一个对此次操作的undo操作，它由sem\_undo结构描述。这些属于同一进程的undo操作组成的链表就由semundo属性指示。当进程异常终止时，系统会调用undo操作。sem\_undo的成员semadj指向一个数据数组，表示各次undo的量。结构定义在include/linux/sem.h。  
(2) struct sem\_queue \*semsleeping;  
每一信号量集合对应一个sem\_queue等待队列(见include/linux/sem.h)。进程因操作该信号量集合而阻塞时，它被挂到semsleeping指示的关于该信号量集合的sem\_queue队列。反过来，semsleeping。sleeper指向该进程的PCB。  
7. 进程上下文环境  
(1) struct desc\_struct \*ldt;  
进程关于CPU段式存储管理的局部描述符表的指针，用于仿真WINE Windows的程序。其他情况下取值NULL，进程的ldt就是arch/i386/traps.c定义的default\_ldt。  
(2) struct thread\_struct tss;  
任务状态段，其内容与INTEL CPU的TSS对应，如各种通用寄存器.CPU调度时，当前运行进程的TSS保存到PCB的tss，新选中进程的tss内容复制到CPU的TSS。结构定义在include/linux/tasks.h中。  
(3) unsigned long saved\_kernel\_stack;  
为MS-DOS的仿真程序(或叫系统调用vm86)保存的堆栈指针。  
(4) unsigned long kernel\_stack\_page;  
在内核态运行时，每个进程都有一个内核堆栈，其基地址就保存在kernel\_stack\_page中。  
8. 文件系统数据成员  
(1) struct fs\_struct \*fs;  
fs保存了进程本身与VFS的关系消息，其中root指向根目录结点，pwd指向当前目录结点，umask给出新建文件的访问模式(可由系统调用umask更改)，count是Linux保留的属性，如下页图所示。结构定义在include/linux/sched.h中。  
(2) struct files\_struct \*files;  
files包含了进程当前所打开的文件(struct file \*fd\[NR\_OPEN\])。在Linux中，一个进程最多只能同时打开NR\_OPEN个文件。而且，前三项分别预先设置为标准输入、标准输出和出错消息输出文件。  
(3) int link\_count;  
文件链(link)的数目。  
Array. 内存数据成员  
(1) struct mm\_struct \*mm;  
在linux中，采用按需分页的策略解决进程的内存需求。task\_struct的数据成员mm指向关于存储管理的mm\_struct结构。其中包含了一个虚存队列mmap，指向由若干vm\_area\_struct描述的虚存块。同时，为了加快访问速度，mm中的mmap\_avl维护了一个AVL树。在树中，所有的vm\_area\_struct虚存块均由左指针指向相邻的低虚存块，右指针指向相邻的高虚存块。 结构定义在include/linux/sched.h中。  
10. 页面管理  
(1) int swappable:1;  
进程占用的内存页面是否可换出。swappable为1表示可换出。对该标志的复位和置位均在do\_fork()函数中执行(见kerenl/fork.c)。  
(2) unsigned long swap\_address;  
虚存地址比swap\_address低的进程页面，以前已经换出或已换出过，进程下一次可换出的页面自swap\_address开始。参见swap\_out\_process()和swap\_out\_pmd()(见mm/vmscan.c)。  
(3) unsigned long min\_flt，maj\_flt;  
该进程累计的minor缺页次数和major缺页次数。maj\_flt基本与min\_flt相同，但计数的范围比后者广(参见fs/buffer.c和mm/page\_alloc.c)。min\_flt只在do\_no\_page()、do\_wp\_page()里(见mm/memory.c)计数新增的可以写操作的页面。  
(4) unsigned long nswap;  
该进程累计换出的页面数。  
(5) unsigned long cmin\_flt，cmaj\_flt，cnswap;  
以本进程作为祖先的所有层次子进程的累计换入页面、换出页面计数。  
(6) unsigned long old\_maj\_flt，dec\_flt;  
(7) unsigned long swap\_cnt;  
下一次信号最多可换出的页数。  
11. 支持对称多处理器方式(SMP)时的数据成员  
(1) int processor;  
进程正在使用的CPU。  
(2) int last\_processor;  
进程最后一次使用的CPU。  
(3) int lock\_depth;  
上下文切换时系统内核锁的深度。  
12. 其它数据成员  
(1) unsigned short used\_math;  
是否使用FPU。  
(2) char comm\[16\];  
进程正在运行的可执行文件的文件名。  
(3) struct rlimit rlim\[RLIM\_NLIMITS\];  
结构rlimit用于资源管理，定义在linux/include/linux/resource.h中，成员共有两项:rlim\_cur是资源的当前最大数目;rlim\_max是资源可有的最大数目。在i386环境中，受控资源共有RLIM\_NLIMITS项，即10项，定义在linux/include/asm/resource.h中，见下表:  
(4) int errno;  
最后一次出错的系统调用的错误号，0表示无错误。系统调用返回时，全程量也拥有该错误号。  
(5) long debugreg\[8\];  
保存INTEL CPU调试寄存器的值，在ptrace系统调用中使用。  
(6) struct exec\_domain \*exec\_domain;  
Linux可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。关于此类程序与Linux程序差异的消息就由exec\_domain结构保存。  
(7) unsigned long personality;  
Linux可以运行由80386平台其它UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序。 Personality进一步描述进程执行的程序属于何种UNIX平台的“个性”信息。通常有PER\_Linux、PER\_Linux\_32BIT、PER\_Linux\_EM86、PER\_SVR3、PER\_SCOSVR3、PER\_WYSEV386、PER\_ISCR4、PER\_BSD、PER\_XENIX和PER\_MASK等，参见include/linux/personality.h。  
(8) struct linux\_binfmt \*binfmt;  
指向进程所属的全局执行文件格式结构，共有a。out、script、elf和[Java][]等四种。结构定义在include/linux/binfmts.h中(core\_dump、load\_shlib(fd)、load\_binary、use\_count)。  
(Array) int exit\_code，exit\_signal;  
引起进程退出的返回代码exit\_code，引起错误的信号名exit\_signal。  
(10) int dumpable:1;  
布尔量，表示出错时是否可以进行memory dump。  
(11) int did\_exec:1;  
按POSIX要求设计的布尔量，区分进程是正在执行老程序代码，还是在执行execve装入的新代码。  
(12) int tty\_old\_pgrp;  
进程显示终端所在的组标识。  
(13) struct tty\_struct \*tty;  
指向进程所在的显示终端的信息。如果进程不需要显示终端，如0号进程，则该指针为空。结构定义在include/linux/tty.h中。  
(14) struct wait\_queue \*wait\_chldexit;  
在进程结束时，或发出系统调用wait4后，为了等待子进程的结束，而将自己(父进程)睡眠在该队列上。结构定义在include/linux/wait.h中。  
13. 进程队列的全局变量  
(1) current;  
当前正在运行的进程的指针，在SMP中则指向CPU组中正被调度的CPU的当前进程:  
\#define current(0+current\_set\[smp\_processor\_id()\])/\*sched.h\*/  
struct task\_struct \*current\_set\[NR\_CPUS\];  
(2) struct task\_struct init\_task;  
即0号进程的PCB，是进程的“根”，始终保持初值INIT\_TASK。  
(3) struct task\_struct \*task\[NR\_TASKS\];  
进程队列数组，规定系统可同时运行的最大进程数(见kernel/sched.c)。NR\_TASKS定义在include/linux/tasks.h中，值为512。每个进程占一个数组元素(元素的下标不一定就是进程的pid)，task\[0\]必须指向init\_task(0号进程)。可以通过task\[\]数组遍历所有进程的PCB。但Linux也提供一个宏定义for\_each\_task()(见include/linux/sched.h)，它通过next\_task遍历所有进程的PCB:  
\#define for\_each\_task(p) ＼  
for(p=&init\_task;(p=p->next\_task)!=&init\_task;)  
(4) unsigned long volatile jiffies;  
Linux的基准时间(见kernal/sched.c)。系统初始化时清0，以后每隔10ms由时钟中断服务程序do\_timer()增1。  
(5) int need\_resched;  
重新调度标志位(见kernal/sched.c)。当需要Linux调度时置位。在系统调用返回前(或者其它情形下)，判断该标志是否置位。置位的话，马上调用schedule进行CPU调度。  
(6) unsigned long intr\_count;  
记录中断服务程序的嵌套层数(见kernal/softirq.c)。正常运行时，intr\_count为0。当处理硬件中断、执行任务队列中的任务或者执行bottom half队列中的任务时，intr\_count非0。这时，内核禁止某些操作，例如不允许重新调度。

[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/operatingsystem
[Java]: http://lib.csdn.net/base/javase