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内核编程十一：进程的数据结构

article 2025/4/2 17:17:35

在Linux内核中，task_struct 是用于描述进程的核心数据结构，存储了进程的所有关键信息，包括进程ID、状态、调度信息、内存管理信息、文件描述符等。每个进程在内核中都对应一个 task_struct 结构体。

1. `task_struct` 的基本定义

task_struct 结构体的定义位于 include/linux/sched.h 头文件中。如下图所示，通过双向循环链表的方式将所有进程关联起来。

此结构体非常庞大， task_struct结构体中又包含了非常多的子结构体

由于task_struct内容较为庞大，这里列出部分关键字段：

struct task_struct {
    volatile long state;         // 进程状态 (TASK_RUNNING 等)
    struct list_head tasks;      // 进程链表 (所有进程通过该字段连接)
    pid_t pid;                   // 进程 ID
    pid_t tgid;                  // 线程组 ID (线程与主线程共享)
    struct mm_struct *mm;        // 进程的内存管理信息
    struct thread_struct thread; // 进程的 CPU 相关信息 (寄存器等)
    struct list_head children;   // 子进程链表
    struct task_struct *parent;  // 父进程
    struct files_struct *files;  // 进程打开的文件信息
    struct fs_struct *fs;        // 进程的文件系统信息
    struct signal_struct *signal;// 进程的信号处理信息
    struct sched_entity se;      // 进程的调度信息
};

2. `task_struct` 主要字段解析

（1）进程状态

state：表示进程当前的状态，可能的取值包括：

#define TASK_RUNNING       0  // 运行态或就绪态
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1  // 可中断睡眠状态
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 // 不可中断睡眠状态
#define TASK_STOPPED       4  // 进程已停止
#define TASK_TRACED        8  // 进程被调试

（2）进程的标识

pid：进程 ID，是 Linux 内核唯一标识一个进程的数值。
tgid：线程组 ID，同一进程的多个线程共享相同的 tgid，而主线程的 pid == tgid。

（3）进程调度

struct sched_entity se：保存进程的调度信息，如优先级、时间片等，供 CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器） 使用。

（4）进程的内存管理

struct mm_struct *mm：指向进程的内存管理结构，包含代码段、数据段、堆、栈等信息。
- mm->pgd：页全局目录（Page Global Directory），用于地址转换。
- mm->mmap：存储该进程的虚拟内存区域（VMA，Virtual Memory Area）。
struct fs_struct *fs：文件系统信息，比如 cwd（当前工作目录）。

（5）进程的关系

struct task_struct *parent：指向父进程。
struct list_head children：指向该进程创建的子进程列表。

（6）进程的文件管理

struct files_struct *files：保存进程打开的所有文件的描述符信息，如 fd。

3.线程

task_struct 既表示进程，也表示线程
Linux 内核不区分进程和线程，所有的执行实体（tasks）都是 task_struct 结构体的一个实例。

线程和进程的主要区别在于：

进程：有独立的地址空间（mm_struct）。
线程：共享同一个地址空间（mm_struct），但 task_struct 依然是独立的。
Linux 线程创建时，调用 clone() 系统调用，最终创建一个新的 task_struct，但其 mm_struct 指针与父线程共享。

在Linux中，线程和进程的主要数据结构都是 task_struct，并不是 thread_info。

task_struct 是 Linux 内核中表示进程和线程的主要数据结构，而 thread_info 只是一个与 task_struct 关联的辅助结构，不能直接等同于线程的数据结构。

4. 进程的创建与 `task_struct`

Linux 创建进程主要通过 fork()、clone() 或 kernel_thread()，内核会：

调用 copy_process()：
- 为新进程分配 task_struct。
- 复制父进程的部分信息，如 pid、mm、files。
- 根据 clone 标志决定哪些资源共享（如文件、地址空间）。
将 task_struct 插入进程链表：
- task_struct 通过 tasks 链接到 init_task 全局变量，实现进程管理。