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从C语言源代码分析，Linux系统是如何记录和描述进程的

		发表于: 2019-08-06 22:12:45 | 已被阅读: 27 | 分类于: C语言

上一节简要讨论了下Linux操作系统中进程的概念，其实简单来说，进程无非就是处于运行期的程序及其相关资源的总和。这里读者应该注意“相关资源”一词，Linux 在内核中是如何记录进程的资源的呢？

Linux内核如何记录进程的资源？

首先应该明白，Linux 内核大都是采用C语言编写的，因此要弄清楚内核如何记录进程资源，只需要查看相关的C语言代码就可以了。事实上，Linux 内核是使用 task_struct 结构体描述进程的资源的，它的C语言部分代码如下，请看：

task_struct 结构体很长，在我手中的 Linux 内核C语言源代码中，它占用了280行。当然了，这其中包含很多条件编译部分，在 32 位机器上，task_struct 大约要占用 1.7 KB 的内存空间，不过考虑到它可以管理完整的进程，1.7kB 其实并不算大了。

鉴于 task_struct 结构体过长，这里不可能将其成员一一介绍清楚。如果读者和我一样好奇，粗略的浏览 task_struct 结构体，应该能够发现一些比较令人熟悉的成员，例如：

通过C语言注释以及成员的变量名，能够看到 task_struct 结构体包含了文件系统，线程结构体，以及进程打开的文件等信息，这就与上一节文章的内容对应上了。其他成员在我之后的文章中会涉及到，这里暂不赘述。

在创建进程时，Linux 通过 slab 分配器分配 task_struct 结构，这样可以避免动态分配和释放带来的开销，提高内存的使用效率。

那么创建 task_struct 结构后，内核如何访问它呢？

根据我手上的内核C语言源代码，Linux 中还有一个结构体 thread_info，它的其中一个成员 task 指针正好适合用于索引 task_struct 结构体，在X86_64平台上，thread_info 的相关C语言代码如下，请看：

Linux 通常会在内核栈底或者栈顶保留 thread_info 结构，而内核栈通常大小都是可知的，因此每个进程都能方便的从自己的栈中找到 thread_info 结构，进而找到 task_struct 结构。

查找当前进程的 thread_info 结构，可以调用 current_thread_info() 函数，它的C语言代码如下，请看：

static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{                                 
     register unsigned long sp asm ("sp");     
     return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

可见，current_thread_info() 函数其实就是通过进程栈计算的，因此它的实现与平台架构有关，上述C语言代码其实只是 arm 平台的实现方法，其他平台的实现方法，读者可自行查阅。

此时，要获取当前进程的资源，可以通过 current_thread_info()->task 索引。

进程 PID

Linux 内核为每一个进程分配独一无二的进程标识（process identification，PID）用于区分不同的进程。PID 是一个整数，在内核的C语言源码中表示为 pid_t 类型（其实就是 int 类型）。在Linux命令行输入 ps 命令，即可查看当前进程的 PID，例如：

task_struct 结构体使用成员 pid 记录进程的 PID 值，相关的C语言代码如下，请看：
在Linux系统中，PID 的最大值是可以调整的，早期为了兼容老版本的 Unix 和 Linux，默认最大值为 32768（short int 类型能够表示的最大值），这个值可以通过 cat 命令查看：

# cat /proc/sys/kernel/pid_max 
32768

PID 的最大值对于Linux系统的运行是有影响的，因为 PID 值是独一无二的，所以它的最大值实际上就表示系统可以同时运行的最多进程数目。对于普通的个人用户来说，32768 足够多，但是对于大型服务器来说，32768 可能就远远不够了，这时可以修改 pid_max 解决这一问题。

进程的状态

现在知道了Linux内核是如何描述和记录进程资源，以及如何区分不同进程的了。那么进程有哪些状态呢？读者应该注意到 task_struct 结构体的第一个成员 state 了，它就是用于记录进程状态的。进程的状态在C语言源代码中是使用几个宏定义的：

Linux 系统中的进程必定处于这 5 种状态之一。从上到下，分别表示进程处于：

  • 正在运行或者准备运行
  • 正在睡眠，但是可中断，接收到信号会被提前唤醒
  • 正在睡眠，并且不可中断，也即即使接收到信号也不会被唤醒
  • 被其他进程跟踪中
  • 停止运行

现在就明白有时无法通过 kill 命令杀死 D 状态的进程了，这是因为这些进程处于不响应信号的状态，kill 命令本质上是发送 SIGKILL 信号，自然无法杀死该进程。

父进程和子进程

进程的父进程和子进程也属于进程的资源，因此也被记录在 task_struct 结构体中，请看相关C语言代码：

所以要访问当前进程的父进程和子进程是方便的，例如：

struct task_struct *p = current->parent;
struct task_stuck *c  = current->children;

稍稍思考一下，应该能够发现进程结构体 task_struct 中的 parent 指针和 children 指针其实构成了一条链表，通过这样的链表，我们能够轻易的访问进程的父进程，祖父进程...， 以及子进程，孙进程... 等。不过应该明白，对于拥有大量进程的系统来说，重复遍历所有进程的开销是很大的。

小结

本节先讨论了Linux内核如何记录和描述进程资源，可以看出，内核管理进程其实就是管理 task_struct 结构体。接着，通过C语言源代码查看了内核如何访问 task_struct 结构体，以及如何区分进程，最后我们一起还讨论了进程的状态和家族树，可见，Linux内核源代码也并不是神秘到不可理解。

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