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Linux進程通過一個task_struct結構體描述，在linux/sched.h中定義，通過理解該結構，可更清楚的理解linux進程模型。 ? ??? 包含進程所有信息的task_struct數據結構是比較龐大的，但是該數據結構本身并不復雜，我們將它的所有域按其功能可做如下劃分：

• 進程狀態（State）
• 進程調度信息（Scheduling Information）
• 各種標識符（Identifiers）
• 進程通信有關信息（IPC：Inter_Process Communication）
• 時間和定時器信息（Times and Timers）
• 進程鏈接信息（Links）
• 文件系統信息（File System）
• 虛擬內存信息（Virtual Memory）
• 頁面管理信息（page）
• 對稱多處理器（SMP）信息
• 和處理器相關的環境（上下文）信息（Processor Specific Context）
• 其它信息

?1. 進程狀態（State）

進程執行時，它會根據具體情況改變狀態。進程狀態是調度和對換的依據。Linux中的進程主要有如下狀態，如表1所示。

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表3.1? Linux進程的狀態

內核表示	含義
TASK_RUNNING	可運行
TASK_INTERRUPTIBLE	可中斷的等待狀態
TASK_UNINTERRUPTIBLE	不可中斷的等待狀態
TASK_ZOMBIE	僵死
TASK_STOPPED	暫停
TASK_SWAPPING	換入/換出

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1).可運行狀態：處于這種狀態的進程，要么正在運行、要么正準備運行。正在運行的進程就是當前進程（由current所指向的進程），而準備運行的進程只要得到CPU就可以立即投入運行，CPU是這些進程唯一等待的系統資源。

2).等待狀態：處于該狀態的進程正在等待某個事件（event）或某個資源，它肯定位于系統中的某個等待隊列（wait_queue）中。

3).暫停狀態：此時的進程暫時停止運行來接受某種特殊處理。通常當進程接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或 SIGTTOU信號后就處于這種狀態。例如，正接受調試的進程就處于這種狀態。

4).僵死狀態：進程雖然已經終止，但由于某種原因，父進程還沒有執行wait()系統調用，終止進程的信息也還沒有回收。顧名思義，處于該狀態的進程就是死進程，這種進程實際上是系統中的垃圾，必須進行相應處理以釋放其占用的資源。

進程狀態轉換如下圖：

2.進程調度信息

??? 調度程序利用這部分信息決定系統中哪個進程最應該運行，并結合進程的狀態信息保證系統運轉的公平和高效。這一部分信息通常包括進程的類別（普通進程還是實時進程）、進程的優先級等。表2描述了跟進程調度有關的字段，表3.3說明了幾種常用的進程調度算法及這些算法的使用范圍，如先來先服務主要用于實時進程的調度。

表2 進程調度信息

域名	含義
need_resched	調度標志
Nice	靜態優先級
Counter	動態優先級
Policy	調度策略
rt_priority	實時優先級

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表3? 進程調度的策略

名稱	解釋	適用范圍
SCHED_OTHER	其他調度	普通進程
SCHED_FIFO	先來先服務調度	實時進程
SCHED_RR	時間片輪轉調度

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只有root用戶能通過sched_setscheduler（）系統調用來改變調度策略。

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3.標識符（Identifiers）

?? 每個進程有進程標識符、用戶標識符、組標識符，如表4所示。

?? 不管對內核還是普通用戶來說，怎么用一種簡單的方式識別不同的進程呢？這就引入了進程標識符（PID：process identifier），每個進程都有一個唯一的標識符，內核通過這個標識符來識別不同的進程，同時，進程標識符PID也是內核提供給用戶程序的接口，用戶程序通過PID對進程發號施令。PID是32位的無符號整數，它被順序編號：新創建進程的PID通常是前一個進程的PID加1。然而，為了與16位硬件平臺的傳統Linux系統保持兼容，在Linux上允許的最大PID號是32767，當內核在系統中創建第32768個進程時，就必須重新開始使用已閑置的PID號。

表4 各種標識符

域名	含義
Pid	進程標識符
Uid、gid	用戶標識符、組標識符
Euid、egid	有效用戶標識符、有效組標識符
Suid、sgid	備份用戶標識符、備份組標識符
Fsuid、fsgid	文件系統用戶標識符、文件系統組標識符

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4.進程通信有關信息（IPC：Inter_Process Communication）

??? 為了使進程能在同一項任務上協調工作，進程之間必須能進行通信即交流數據。

????Linux支持多種不同形式的通信機制。它支持典型的Unix 通信機制（IPC Mechanisms）：信號（Signals）、管道（Pipes），也支持System V 通信機制：共享內存（Shared Memory）、信號量和消息隊列（Message Queues）,如表5

表5 進程通信有關信息

域名	含義
Spinlock_t sigmask_lock	信號掩碼的自旋鎖
Long blocked	信號掩碼
Struct signal? *sig	信號處理函數
Struct sem_undo *semundo	為避免死鎖而在信號量上設置的取消操作
Struct sem_queue *semsleeping	與信號量操作相關的等待隊列

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5.進程鏈接信息（Links）

??? 程序創建的進程具有父/子關系。因為一個進程能創建幾個子進程，而子進程之間有兄弟關系，在task_struct結構中有幾個域來表示這種關系。

????在Linux系統中，除了初始化進程init，其他進程都有一個父進程（parent process）或稱為雙親進程。可以通過fork（）或clone()系統調用來創建子進程，除了進程標識符（PID）等必要的信息外，子進程的task_struct結構中的絕大部分的信息都是從父進程中拷貝，或說“克隆”過來的。系統有必要記錄這種“親屬”關系，使進程之間的協作更加方便，例如父進程給子進程發送殺死（kill）信號、父子進程通信等，就可以用這種關系很方便地實現。

????每個進程的task_struct結構有許多指針，通過這些指針，系統中所有進程的task_struct結構就構成了一棵進程樹，這棵進程樹的根就是初始化進程init的task_struct結構（init進程是Linux內核建立起來后人為創建的一個進程，是所有進程的祖先進程）。表6是進程所有的鏈接信息。

表6 進程鏈接信息

名稱	解釋 [指向哪個進程]
p_opptr	祖先
p_pptr	父進程
p_cptr	子進程
p_ysptr	弟進程
p_osptr	兄進程
Pidhash_next、 Pidhash_pprev	進程在哈希表中的鏈接
Next_task、 prev_task	進程在雙向循環鏈表中的鏈接
Run_list	運行隊列的鏈表

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6.時間和定時器信息（Times and Timers）

??? 一個進程從創建到終止叫做該進程的生存期（lifetime）。進程在其生存期內使用CPU的時間，內核都要進行記錄，以便進行統計、計費等有關操作。進程耗費CPU的時間由兩部分組成：一是在用戶模式（或稱為用戶態）下耗費的時間、一是在系統模式（或稱為系統態）下耗費的時間。每個時鐘滴答，也就是每個時鐘中斷，內核都要更新當前進程耗費CPU的時間信息。

??? 表7是和時間有關的域，上面所說的counter是指進程剩余的CPU時間片，也和時間有關，所以這里我們再次提及它。表8是進程的所有定時器。

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表7與時間有關的域

域名	含義
Start_time	進程創建時間
Per_cpu_utime	進程在某個CPU上運行時在用戶態下耗費的時間
Per_cpu_stime	進程在某個CPU上運行時在系統態下耗費的時間
Counter	進程剩余的時間片

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表8? 進程的所有定時器

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定時器類型	解釋	什么時候更新	用來表示此種定時器的域
ITIMER_REAL	實時定時器	實時更新，即不論該進程是否運行	it_real_value
			it_real_incr
			real_timer
ITIMER_VIRTUAL	虛擬定時器	只在進程運行于用戶態時更新	it_virt_value
			it_virt_incr
ITIMER_PROF	概況定時器	進程運行于用戶態和系統態時更新	it_prof_value
			it_prof_incr

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7.文件系統信息（File System）

?? 進程可以打開或關閉文件，文件屬于系統資源，Linux內核要對進程使用文件的情況進行記錄。task_struct結構中有兩個數據結構用于描述進程與文件相關的信息。其中，fs_struct中描述了兩個VFS索引節點（VFS inode），這兩個索引節點叫做root和pwd，分別指向進程的可執行映象所對應的根目錄（home directory）和當前目錄或工作目錄。file_struct結構用來記錄了進程打開的文件的描述符（descriptor）。如表9所示。

表9? 與文件系統相關的域

定義形式	解釋
Sruct fs_struct *fs	進程的可執行映象所在的文件系統
Struct files_struct *files	進程打開的文件

??? 在文件系統中，每個VFS索引節點唯一描述一個文件或目錄，同時該節點也是向更低層的文件系統提供的統一的接口。

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8.虛擬內存信息（Virtual Memory）

???除了內核線程（kernel thread），每個進程都擁有自己的地址空間（也叫虛擬空間），用mm_struct來描述。另外Linux2.4還引入了另外一個域active_mm,這是為內核線程而引入。因為內核線程沒有自己的地址空間，為了讓內核線程與普通進程具有統一的上下文切換方式，當內核線程進行上下文切換時，讓切換進來的線程的active_mm指向剛被調度出去的進程的active_mm（如果進程的mm域不為空，則其active_mm域與mm域相同）。內存信息如表10所示

表10?? 虛擬內存描述信息

定義形式	解釋
Struct mm_struct *mm	描述進程的地址空間
Struct mm_struct *active_mm	內核線程所借用的地址空間

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9.頁面管理信息

?? 當物理內存不足時，Linux內存管理子系統需要把內存中的部分頁面交換到外存，其交換是以頁為單位的。有關頁面的描述信息如表11。

表11 頁面管理信息

? 定義形式	解釋
Int swappable	進程占用的內存頁面是否可換出
Unsigned long min_flat, maj_flt,nswap	進程累計的次（minor）缺頁次數、 主(major)次數及累計換出、換入頁面數
Unsigned long cmin_flat, cmaj_flt,cnswap	本進程作為祖先進程，其所有層次子進程的累計的次（minor）缺頁次數、主(major)次數及累計換出、換入頁面數

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10.進程內核棧及current宏

??? 在Linux-2.6內核中堆棧這么定義：

union thread_union {struct thread_info thread_info;unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; };

???? 根據內核的配置，THREAD_SIZE既可以是4K字節(1個頁面)也可以是8K字節(2個頁面)。thread_info是52個字節長。下圖是當設為8KB時候的內核堆棧：Thread_info在這個內存區的開始處，內核堆棧從末端向下增長。進程描述符不是在這個內存區中，而分別通過task與thread_info指針使thread_info與進程描述符互聯。所以獲得當前進程描述符的current定義如下:?

#define current get_current() static inline struct task_struct * get_current(void) {return current_thread_info()->task; } static inline struct thread_info *current_thread_info(void) {struct thread_info *ti;__asm__("andl %%esp,%0; ":"=r" (ti) : "" (~(THREAD_SIZE - 1)));return ti; }

根據THREAD_SIZE大小，分別屏蔽掉內核棧的12-bit LSB(4K)或13-bit LSB(8K)，從而獲得內核棧的起始位置，及當前進程描述符的指針。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux进程模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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