一、Linux 內(nèi)核如何描述一個(gè)進(jìn)程？

目的：

• 初步了解進(jìn)程描述符 task_struct。

目錄：

1. Linux 的進(jìn)程
2. Linux 的進(jìn)程描述符

• task_struct
• 內(nèi)核如何找到 task_struct
• task_struct 的分配和初始化

環(huán)境：

• Linux-4.14 + ARMv7

1. Linux 的進(jìn)程

進(jìn)程的術(shù)語(yǔ)是 process，是 Linux 最基礎(chǔ)的抽象，另一個(gè)基礎(chǔ)抽象是文件。

最簡(jiǎn)單的理解，進(jìn)程就是執(zhí)行中 (executing, 不等于running) 的程序。

更準(zhǔn)確一點(diǎn)的理解，進(jìn)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(kāi)的文件、掛起的信號(hào)、tty、內(nèi)存地址空間等)。

一種簡(jiǎn)潔的說(shuō)法：進(jìn)程 = n*執(zhí)行流 + 資源，n>=1。

Linux 進(jìn)程的特點(diǎn)：

• 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用 fork() 創(chuàng)建進(jìn)程，fork() 會(huì)復(fù)制現(xiàn)有進(jìn)程來(lái)創(chuàng)建一個(gè)全新的進(jìn)程。

• 內(nèi)核里，并不嚴(yán)格區(qū)分進(jìn)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)?？梢园丫€程看做是進(jìn)程里的一條執(zhí)行流，1個(gè)進(jìn)程里可以有1個(gè)或者多個(gè)線程。

• 內(nèi)核里，常把進(jìn)程稱(chēng)為 task 或者 thread，這樣描述更準(zhǔn)確，因?yàn)樵S多進(jìn)程就只有1條執(zhí)行流。

• 內(nèi)核通過(guò)輕量級(jí)進(jìn)程 (lightweight process) 來(lái)支持多線程。1個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程就對(duì)應(yīng)1個(gè)線程，輕量級(jí)進(jìn)程之間可以共享打開(kāi)的文件、地址空間等資源。

2. Linux 的進(jìn)程描述符

2.1 task_struct

內(nèi)核里，通過(guò) task_struct 結(jié)構(gòu)體來(lái)描述一個(gè)進(jìn)程，稱(chēng)為進(jìn)程描述符 (process descriptor)，它保存著支撐一個(gè)進(jìn)程正常運(yùn)行的所有信息。

每一個(gè)進(jìn)程，即便是輕量級(jí)進(jìn)程(即線程)，都有1個(gè) 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(gè)龐大的結(jié)構(gòu)體，不僅有許多進(jìn)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(gè)正在執(zhí)行的程序，包括 cpu 狀態(tài)、打開(kāi)的文件、地址空間、掛起的信號(hào)、進(jìn)程狀態(tài)等。

作為初學(xué)者，先簡(jiǎn)單地了解部分字段就好：：

• struct thread_info thread_info: 進(jìn)程底層信息，平臺(tái)相關(guān)，下面會(huì)詳細(xì)描述。

• long state: 進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)，下面是幾個(gè)比較重要的進(jìn)程狀態(tài)以及它們之間的轉(zhuǎn)換流程。

• void *stack: 指向進(jìn)程內(nèi)核棧，下面會(huì)解釋。

• struct mm_struct *mm: 與進(jìn)程地址空間相關(guān)的信息都保存在一個(gè)叫內(nèi)存描述符 (memory descriptor) 的結(jié)構(gòu)體 (mm_struct) 中。

• pid_t pid: 進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，本質(zhì)就是一個(gè)數(shù)字，是用戶空間引用進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)。

• struct task_struct *parent: 父進(jìn)程的 task_struct。

• char comm[TASK_COMM_LEN]: 進(jìn)程的名稱(chēng)。

• struct files_struct　*files: 打開(kāi)的文件表。

• struct signal_struct *signal: 信號(hào)處理相關(guān)。

其他字段，等到有需要的時(shí)候再回過(guò)頭來(lái)學(xué)習(xí)。

2.2 當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用或者進(jìn)程切換時(shí)，內(nèi)核如何找到 task_struct ?

對(duì)于 ARM 架構(gòu)，答案是：通過(guò)內(nèi)核棧 (kernel mode stack)。

為什么要有內(nèi)核棧？

• 因?yàn)閮?nèi)核是可重入的，在內(nèi)核中會(huì)有多條與不同進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行路徑。因此不同的進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，都需要有自己私有的進(jìn)程內(nèi)核棧 (process kernel stack)。

當(dāng)進(jìn)程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)時(shí)，所使用的棧會(huì)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(diǎn)，先放一邊，學(xué)習(xí)內(nèi)核要懂得恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候忽略細(xì)節(jié)。

當(dāng)發(fā)生進(jìn)程切換時(shí)，也會(huì)切換到目標(biāo)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

無(wú)論何時(shí)，只要進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)，就會(huì)有內(nèi)核?？梢允褂茫駝t系統(tǒng)就離崩潰不遠(yuǎn)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(zhǎng)度是 THREAD_SIZE，對(duì)于 ARM 架構(gòu)，一般是 2 個(gè)頁(yè)框的大小，即 8KB。

內(nèi)核將一個(gè)較小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) thread_info 放在內(nèi)核棧的底部，它負(fù)責(zé)將內(nèi)核棧和 task_struct 串聯(lián)起來(lái)。thread_info 是平臺(tái)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(gè)進(jìn)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(huì)在進(jìn)程切換時(shí)用來(lái)保存/恢復(fù)寄存器上下文。

內(nèi)核通過(guò)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(dāng)前進(jìn)程內(nèi)核棧的棧指針
?return?(struct?thread_info?*)
??(current_stack_pointer?&?~(THREAD_SIZE?-?1));
}

然后通過(guò) thread_info 找到 task_struct:

//?current.h?(include\asm-generic)

#define?current?(current_thread_info()->task)

內(nèi)核里通過(guò) current 宏可以獲得當(dāng)前進(jìn)程的 task_struct。

2.3 task_struct 的分配和初始化

當(dāng)上層應(yīng)用使用 fork() 創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，內(nèi)核會(huì)新建一個(gè) task_struct。

進(jìn)程的創(chuàng)建是個(gè)復(fù)雜的工作，可以延伸出無(wú)數(shù)的細(xì)節(jié)。這里我們只是簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>

#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);

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)