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从C语言源代码分析神秘的Linux系统是如何记录和描述进程的?

发布时间:2019-08-11 08:55 来源:未知 编辑:admin

  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?

  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?

  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。

  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。

  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。

  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:

  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。

  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:

  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。

  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:

  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。

  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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