Linux中进程控制块
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。
task_struct是Linux内核的一种数据结构，它被装在到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这个数据结构中，task_struct包含了以下内容：
标识符：描述本进程的唯一标识符，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：可以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。所以运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在于内核中。
struct task_struct {
volatile long state; //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
unsigned long flags; //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
int sigpending; //进程上是否有待处理的信号
mm_segment_t addr_limit; //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
//0-0xBFFFFFFF for user-thead
//0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
volatile long need_resched;//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
int lock_depth; //锁深度
long nice; //进程的基本时间片
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
struct mm_struct *mm; //进程内存管理信息
int processor;
//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
struct list_head run_list; //指向运行队列的指针
unsigned long sleep_time; //进程的睡眠时间
//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages; //指向本地页面
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
struct linux_binfmt *binfmt; //进程所运行的可执行文件的格式
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal; //父进程终止是向子进程发送的信号
unsigned long personality;
//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
int did_exec : 1;
pid_t pid; //进程标识符,用来代表一个进程
pid_t pgrp; //进程组标识,表示进程所属的进程组
pid_t tty_old_pgrp; //进程控制终端所在的组标识
pid_t session; //进程的会话标识
pid_t tgid;
int leader; //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;
struct list_head thread_group; //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit; //供wait4()使用
struct completion *vfork_done; //供vfork() 使用
unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value
//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据
//it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。
//当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送
//信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种
//状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据
//it_virt_incr重置初值。
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
struct timer_list real_timer; //指向实时定时器的指针
struct tms times; //记录进程消耗的时间
unsigned long start_time; //进程创建的时间
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
//内存缺页和交换信息:
//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换
//设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。
//在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable : 1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
//进程认证信息
//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid
//euid，egid为有效uid,gid
//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件
//系统的访问权限时使用他们。
//suid，sgid为备份uid,gid
uid_t uid, euid, suid, fsuid;
gid_t gid, egid, sgid, fsgid;
int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities : 1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; //与进程相关的资源限制信息
unsigned short used_math; //是否使用FPU
char comm[16]; //进程正在运行的可执行文件名
//文件系统信息
int link_count, total_link_count;
//NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//进程间通信信息
struct sem_undo *semundo; //进程在信号灯上的所有undo操作
struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
//进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
struct thread_struct thread;
//文件系统信息
struct fs_struct *fs;
//打开文件信息
struct files_struct *files;
//信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig; //信号处理函数
sigset_t blocked; //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
struct sigpending pending; //进程上是否有待处理的信号
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;
void *journal_info;
};task_struct成员用法说明
1）进程状态
volatile long state;
int exit_state;2）state成员的可能取值如下
#define TASK_RUNNING 0
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
#define __TASK_STOPPED 4
#define __TASK_TRACED 8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE 16
#define EXIT_DEAD 32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD 64
#define TASK_WAKEKILL 128
#define TASK_WAKING 256系统中的进程必然处于上述进程状态的一种，下面就各状态做简要说明
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| TASK_RUNNING | 表示进程正在执行或者处于准备执行的状态 |
| TASK_INTERRUPTIBLE | 进程因为等待某些条件处于阻塞（挂起的状态），一旦等待的条件成立，进程便会从该状态转化成就绪状态 |
| TASK_UNINTERRUPTIBLE | 意思与TASK_INTERRUPTIBLE类似，但是我们传递任意信号等不能唤醒他们，只有它所等待的资源可用的时候，他才会被唤醒。 |
| TASK_STOPPED | 进程被停止执行 |
| TASK_TRACED | 进程被debugger等进程所监视 |
| EXIT_ZOMBIE | 进程的执行被终止，但是其父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息，此时进程成为僵尸进程 |
| EXIT_DEAD | 进程被杀死，即进程的最终状态 |
| TASK_STOPPED | 进程被停止执行 |
| TASK_KILLABLE | 当进程处于这种可以终止的新睡眠状态中，它的运行原理类似于 TASK_UNINTERRUPTIBLE，只不过可以响应致命信号 |
3）进程标识符（PID）
pid_t pid; //进程的标识符
pid_t tgid; //线程组标识符在CONFIG_BASE_SMALL配置为0的情况下，PID的取值是0~32767，即系统中的进程数最大为32767个。
进程标识符的引入是为了区别每个进程，tgid的引入是由于Unix程序员希望同一组线程具有相同的pid所以就引入了tgid。getpid()系统调用返回的是当前进程的tgid值而不是pid值。
4）进程内核栈
void *stack进程通过alloc_thread_info函数分配它的内核栈，通过free_thread_info函数释放所分配的内核栈。
/* linux-2.6.38.8/kernel/fork.c */
static inline struct thread_info *alloc_thread_info(struct task_struct *tsk)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE
gfp_t mask = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO;
#else
gfp_t mask = GFP_KERNEL;
#endif
return (struct thread_info *)__get_free_pages(mask, THREAD_SIZE_ORDER);
}
static inline void free_thread_info(struct thread_info *ti)
{
free_pages((unsigned long)ti, THREAD_SIZE_ORDER);
}其中，THREAD_SIZE_ORDER宏在linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h文件中被定义为1，也就是说alloc_thread_info函数通过调用__get_free_pages函数分配2个页的内存（它的首地址是8192字节对齐的）。
Linux内核通过thread_union联合体来表示进程的内核栈，其中THREAD_SIZE宏的大小为8192。
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};当进程从用户态切换到内核态时，进程的内核栈总是空的，所以ARM的sp寄存器指向这个栈的顶端。因此，内核能够轻易地通过sp寄存器获得当前正在CPU上运行的进程。
static inline struct task_struct *get_current(void)
{
return current_thread_info()->task;
}
#define current (get_current())
/* linux-2.6.38.8/arch/arm/include/asm/thread_info.h */
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
register unsigned long sp asm ("sp");
return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));5）进程标记符
unsigned int flags; /* per process flags, defined below */flags反应进程的状态信息，用于内核识别当前进程的状态。
flags的取值范围如下：
#define PF_EXITING 0x00000004 /* getting shut down */
#define PF_EXITPIDONE 0x00000008 /* pi exit done on shut down */
#define PF_VCPU 0x00000010 /* I'm a virtual CPU */
#define PF_WQ_WORKER 0x00000020 /* I'm a workqueue worker */
#define PF_FORKNOEXEC 0x00000040 /* forked but didn't exec */
#define PF_MCE_PROCESS 0x00000080 /* process policy on mce errors */
#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_NPROC_EXCEEDED 0x00001000 /* set_user noticed that RLIMIT_NPROC was exceeded */
#define PF_USED_MATH 0x00002000 /* if unset the fpu must be initialized before use */
#define PF_USED_ASYNC 0x00004000 /* used async_schedule*(), used by module init */
#define PF_NOFREEZE 0x00008000 /* this thread should not be frozen */
#define PF_FROZEN 0x00010000 /* frozen for system suspend */
#define PF_FSTRANS 0x00020000 /* inside a filesystem transaction */
#define PF_KSWAPD 0x00040000 /* I am kswapd */
#define PF_MEMALLOC_NOIO 0x00080000 /* Allocating memory without IO involved */
#define PF_LESS_THROTTLE 0x00100000 /* Throttle me less: I clean memory */
#define PF_KTHREAD 0x00200000 /* I am a kernel thread */
#define PF_RANDOMIZE 0x00400000 /* randomize virtual address space */
#define PF_SWAPWRITE 0x00800000 /* Allowed to write to swap */
#define PF_NO_SETAFFINITY 0x04000000 /* Userland is not allowed to meddle with cpus_allowed */
#define PF_MCE_EARLY 0x08000000 /* Early kill for mce process policy */
#define PF_MUTEX_TESTER 0x20000000 /* Thread belongs to the rt mutex tester */
#define PF_FREEZER_SKIP 0x40000000 /* Freezer should not count it as freezable */
#define PF_SUSPEND_TASK 0x80000000 /* this thread called freeze_processes and should not be frozen */鉴于状态量过多，只说明几个常用的状态。
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| PF_FORKNOEXEC | 表示进程刚被创建，但还没有执行 |
| PF_SUPERPRIV | 表示进程拥有超级用户特权 |
| PF_SIGNALED | 表示进程被信号杀出 |
| PF_EXITING | 表示进程开始关闭 |
6）表示进程亲属关系的成员
/*
* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with
* p->real_parent->pid)
*/
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
/*
* children/sibling forms the list of my natural children
*/
struct list_head children; /* list of my children */
struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */
struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */在Linux系统中，所有进程之间都有着直接或间接地联系，每个进程都有其父进程，也可能有零个或多个子进程。拥有同一父进程的所有进程具有兄弟关系。
| 成员 | 描述 |
|---|---|
| real_parent | 指向当前操作系统执行进程的父进程，如果父进程不存在，指向pid为1的init进程 |
| paren | 指向当前进程的父进程，当当前进程终止时，需要向它发送wait4()的信号 |
| children | 位于链表的头部，链表的所有元素都是children的子进程 |
| group_leader | 指向进程组的领头进程 |
7）ptrace系统调用
Ptrace提供了一种父进程，它可以被用来控制子进程的运行，常被用来进行断点调试，当它被设置为0时表示不需要追踪。
#define PT_SEIZED 0x00010000 /* SEIZE used, enable new behavior */
#define PT_PTRACED 0x00000001
#define PT_DTRACE 0x00000002 /* delayed trace (used on m68k, i386) */
#define PT_PTRACE_CAP 0x00000004 /* ptracer can follow suid-exec */
#define PT_OPT_FLAG_SHIFT 3
/* PT_TRACE_* event enable flags */
#define PT_EVENT_FLAG(event) (1 << (PT_OPT_FLAG_SHIFT + (event)))
#define PT_TRACESYSGOOD PT_EVENT_FLAG(0)
#define PT_TRACE_FORK PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_FORK)
#define PT_TRACE_VFORK PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_VFORK)
#define PT_TRACE_CLONE PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_CLONE)
#define PT_TRACE_EXEC PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_EXEC)
#define PT_TRACE_VFORK_DONE PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE)
#define PT_TRACE_EXIT PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_EXIT)
#define PT_TRACE_SECCOMP PT_EVENT_FLAG(PTRACE_EVENT_SECCOMP)
#define PT_EXITKILL (PTRACE_O_EXITKILL << PT_OPT_FLAG_SHIFT)
#define PT_SUSPEND_SECCOMP (PTRACE_O_SUSPEND_SECCOMP << PT_OPT_FLAG_SHIFT)
/* single stepping state bits (used on ARM and PA-RISC) */
#define PT_SINGLESTEP_BIT 31
#define PT_SINGLESTEP (1<<PT_SINGLESTEP_BIT)
#define PT_BLOCKSTEP_BIT 30
#define PT_BLOCKSTEP (1<<PT_BLOCKSTEP_BIT)8）优先级
int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;| 成员 | 描述 |
|---|---|
| static_prio | 用来保存静态优先级，可以调用nice系统直接来修改取值范围为100~139 |
| rt_priority | 用来保存实时优先级,取值范围为0~99 |
| prio | 用来保存动态优先级 |
| normal_prio | 它的值取决于静态优先级和调度策略 |
实时优先级和静态优先级的取值范围中，值越大，优先级越低。实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1（即100到139）。
9）进程地址空间
进程都拥有自己的资源，这些资源指的就是进程的地址空间，每个进程都有着自己的地址空间，在task_struct中，有关进程地址空间的定义如下：
struct mm_struct *mm, *active_mm;
/* per-thread vma caching */
u32 vmacache_seqnum;
struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE];
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
struct task_rss_stat rss_stat;
#endif
/* http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched.h?V=4.5#L1484 */
#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
unsigned brk_randomized:1;
#endif| 成员 | 描述 |
|---|---|
| mm | 进程所拥有的内存空间描述符，对于内核线程的mm为NULL |
| active_mm | 指进程运行时所使用的进程描述符 |
| rss_stat | 被用来记录缓冲信息 |
如果当前内核线程被调度之前运行的也是另外一个内核线程时候，那么其mm和avtive_mm都是NULL。
总之，Linux进程控制块task_struct结构体是非常重要的，操作系统对进程的调度依赖于进程控制块PCB， 进程状态的改变也基于进程控制块的作用。博客中部分参考了https://www.1024do.com/?p=2891