如何描述一個進程？
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一、關(guān)于寫文章
許多知識，書上或者網(wǎng)絡(luò)上都有，就算這兩個地方都沒有，代碼里也會有答案。但有時恰恰是 資料太多，反而讓人難以檢索出有用的信息。
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每個人的思維方式和寫作能力是有高低之分的，同樣的內(nèi)容，不同的描述，讀者會有不同的收獲。我希望寫一些有價值的文章，通過公開寫作來不斷地提高自己學習能力，并且尋找出更好的學習方法。
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寫文章首先是給自己看，其次才是給別人看，不要害怕寫錯，寫錯了要虛心接受批評。
二、Linux 內(nèi)核如何描述一個進程？
目的：
初步了解進程描述符 task_struct。
目錄：
Linux 的進程 Linux 的進程描述符 task_struct 內(nèi)核如何找到 task_struct task_struct 的分配和初始化 實驗：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack
環(huán)境：
Linux-4.14 + ARMv7
1. Linux 的進程
進程的術(shù)語是 process，是 Linux 最基礎(chǔ)的抽象，另一個基礎(chǔ)抽象是文件。
最簡單的理解，進程就是執(zhí)行中 (executing, 不等于running) 的程序。
更準確一點的理解，進程包括執(zhí)行中的程序以及相關(guān)的資源 (包括cpu狀態(tài)、打開的文件、掛起的信號、tty、內(nèi)存地址空間等)。
一種簡潔的說法：進程 = n*執(zhí)行流 + 資源，n>=1。
Linux 進程的特點：
通過系統(tǒng)調(diào)用 fork() 創(chuàng)建進程，fork() 會復制現(xiàn)有進程來創(chuàng)建一個全新的進程。
內(nèi)核里，并不嚴格區(qū)分進程和線程。
從內(nèi)核的角度看，調(diào)度單位是線程 (即執(zhí)行流)。可以把線程看做是進程里的一條執(zhí)行流，1個進程里可以有1個或者多個線程。
內(nèi)核里，常把進程稱為 task 或者 thread，這樣描述更準確，因為許多進程就只有1條執(zhí)行流。
內(nèi)核通過輕量級進程 (lightweight process) 來支持多線程。1個輕量級進程就對應(yīng)1個線程，輕量級進程之間可以共享打開的文件、地址空間等資源。
2. Linux 的進程描述符
2.1 task_struct
內(nèi)核里，通過 task_struct 結(jié)構(gòu)體來描述一個進程，稱為進程描述符 (process descriptor)，它保存著支撐一個進程正常運行的所有信息。
每一個進程，即便是輕量級進程(即線程)，都有1個 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;
}
這是一個龐大的結(jié)構(gòu)體，不僅有許多進程相關(guān)的基礎(chǔ)字段，還有許多指向其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。
它包含的字段能完整地描述一個正在執(zhí)行的程序，包括 cpu 狀態(tài)、打開的文件、地址空間、掛起的信號、進程狀態(tài)等。
作為初學者，先簡單地了解部分字段就好：：
struct thread_info thread_info: 進程底層信息，平臺相關(guān)，下面會詳細描述。
long state: 進程當前的狀態(tài)，下面是幾個比較重要的進程狀態(tài)以及它們之間的轉(zhuǎn)換流程。
void *stack: 指向進程內(nèi)核棧，下面會解釋。
struct mm_struct *mm: 與進程地址空間相關(guān)的信息都保存在一個叫內(nèi)存描述符 (memory descriptor) 的結(jié)構(gòu)體 (mm_struct) 中。
pid_t pid: 進程標識符，本質(zhì)就是一個數(shù)字，是用戶空間引用進程的唯一標識。
struct task_struct *parent: 父進程的 task_struct。
char comm[TASK_COMM_LEN]: 進程的名稱。
struct files_struct *files: 打開的文件表。
struct signal_struct *signal: 信號處理相關(guān)。
其他字段，等到有需要的時候再回過頭來學習。
2.2 當發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用或者進程切換時，內(nèi)核如何找到 task_struct ?
對于 ARM 架構(gòu)，答案是：通過內(nèi)核棧 (kernel mode stack)。
為什么要有內(nèi)核棧？
因為內(nèi)核是可重入的，在內(nèi)核中會有多條與不同進程相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行路徑。因此不同的進程處于內(nèi)核態(tài)時，都需要有自己私有的進程內(nèi)核棧 (process kernel stack)。
當進程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)時，所使用的棧會從用戶棧切換到內(nèi)核棧。
至于是如何切換的，關(guān)鍵詞是系統(tǒng)調(diào)用，這不是本文關(guān)注的重點，先放一邊，學習內(nèi)核要懂得恰當?shù)臅r候忽略細節(jié)。
當發(fā)生進程切換時，也會切換到目標進程的內(nèi)核棧。
同上，關(guān)鍵詞是硬件上下文切換 (hardware context switch)，忽略具體實現(xiàn)。
無論何時，只要進程處于內(nèi)核態(tài)，就會有內(nèi)核棧可以使用，否則系統(tǒng)就離崩潰不遠了。
ARM 架構(gòu)的內(nèi)核棧和 task_struct 的關(guān)系如下：
內(nèi)核棧的長度是 THREAD_SIZE，對于 ARM 架構(gòu)，一般是 2 個頁框的大小，即 8KB。
內(nèi)核將一個較小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) thread_info 放在內(nèi)核棧的底部，它負責將內(nèi)核棧和 task_struct 串聯(lián)起來。thread_info 是平臺相關(guān)的，在 ARM 架構(gòu)中的定義如下：
// 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 保存了一個進程能被調(diào)度執(zhí)行的最底層信息(low level task data)，例如struct cpu_context_save cpu_context 會在進程切換時用來保存/恢復寄存器上下文。
內(nèi)核通過內(nèi)核棧的棧指針可以快速地拿到 thread_info：
// thread_info.h (include\linux)
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
// current_stack_pointer 是當前進程內(nèi)核棧的棧指針
return (struct thread_info *)
(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}
然后通過 thread_info 找到 task_struct:
// current.h (include\asm-generic)
#define current (current_thread_info()->task)
內(nèi)核里通過 current 宏可以獲得當前進程的 task_struct。
2.3 task_struct 的分配和初始化
當上層應(yīng)用使用 fork() 創(chuàng)建進程時，內(nèi)核會新建一個 task_struct。
進程的創(chuàng)建是個復雜的工作，可以延伸出無數(shù)的細節(jié)。這里我們只是簡單地了解一下 task_struct 的分配和部分初始化的流程。
fork() 在內(nèi)核里的核心流程：
dup_task_struct() 做了什么？
至于設(shè)置內(nèi)核棧里做了什么，涉及到了進程的創(chuàng)建與切換，不在本文的關(guān)注范圍內(nèi)，以后再研究了。
3. 實驗：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack
實驗?zāi)康模?/strong>
梳理 task_struct / thread_info / kernel mode stack 的關(guān)系。
實驗代碼：
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
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);
運行效果：
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，我們通過 task_struct 找到 stack，然后通過 stack 找到 thread_info，最后又通過 thread_info->task 找到 task_struct。
4. 相關(guān)參考
Linux 內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn) / 第 3.1 章節(jié)
深入理解 Linux 內(nèi)核 / 3
Linux 內(nèi)核深度解析 / 2.5.1
深入Linux 內(nèi)核架構(gòu) / 2.3
三、思考技術(shù)，也思考人生
要學習技術(shù)，更要學習如何生活。
你和我各有一個蘋果，如果我們交換蘋果的話，我們還是只有一個蘋果。但當你和我各有一個想法，我們交換想法的話，我們就都有兩個想法了。