在計(jì)算機(jī)科學(xué)的世界中，操作系統(tǒng)是一個(gè)無可爭(zhēng)議的關(guān)鍵組成部分。而linux內(nèi)核作為一款世界著名的開源操作系統(tǒng)內(nèi)核，其進(jìn)程管理系統(tǒng)更是備受矚目。本文將深入剖析Linux內(nèi)核中如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程管理，首先從內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)task_struct開始，逐步展開，涵蓋進(jìn)程地址空間、mm_struct結(jié)構(gòu)體和文件表結(jié)構(gòu)中的files_struct結(jié)構(gòu)體，為你揭示Linux內(nèi)核背后的秘密。
核心結(jié)構(gòu)體
1.task_struct
在Linux內(nèi)核中，每個(gè)進(jìn)程都由一個(gè)task_struct結(jié)構(gòu)體來表示。這個(gè)結(jié)構(gòu)體定義了進(jìn)程的各種屬性和狀態(tài)信息，是進(jìn)程管理的核心。
struct task_struct {
volatile long state; // 進(jìn)程狀態(tài)
void *stack; // 進(jìn)程內(nèi)核棧指針
atomic_t usage; // 引用計(jì)數(shù)
int pid; // 進(jìn)程ID
struct mm_struct *mm; // 進(jìn)程地址空間描述
struct files_struct *files; // 進(jìn)程文件表描述
struct task_struct *parent; // 父進(jìn)程
struct list_head children; // 子進(jìn)程鏈表
struct signal_struct signal; // 信號(hào)處理信息
struct fs_struct fs; // 文件系統(tǒng)信息
struct sched_entity se; // 調(diào)度實(shí)體信息
char comm[TASK_COMM_LEN]; // 進(jìn)程名稱
// ... 其他成員
};
- state：表示進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，可能是就緒、運(yùn)行、睡眠等。它決定了進(jìn)程在調(diào)度時(shí)的行為。
- pid：進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)符，用于區(qū)分不同的進(jìn)程。
- mm：指向與進(jìn)程關(guān)聯(lián)的mm_struct結(jié)構(gòu)體，管理進(jìn)程的地址空間。
- files：指向與進(jìn)程關(guān)聯(lián)的files_struct結(jié)構(gòu)體，用于管理進(jìn)程的文件表和文件描述符。
- parent：指向父進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)體，用于建立進(jìn)程之間的關(guān)系。
- children：鏈表，存儲(chǔ)子進(jìn)程的task_struct指針，用于跟蹤子進(jìn)程。
- signal：存儲(chǔ)有關(guān)進(jìn)程信號(hào)處理的信息，用于處理異步事件。
- fs：用于跟蹤進(jìn)程的文件系統(tǒng)信息，如當(dāng)前工作目錄、根目錄等。
- sched_entity：用于調(diào)度進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片等信息。
- comm：進(jìn)程的名稱，通常是可執(zhí)行文件的名稱。
2.mm_struct進(jìn)程地址空間
進(jìn)程的地址空間是進(jìn)程獨(dú)立的內(nèi)存空間，用于存放進(jìn)程的代碼、數(shù)據(jù)和堆棧等信息。在Linux內(nèi)核中，mm_struct結(jié)構(gòu)體用于描述進(jìn)程的地址空間。
struct mm_struct {
struct vm_area_struct *mmap; // 進(jìn)程內(nèi)存映射的VMA鏈表
struct rb_root mm_rb; // 進(jìn)程的虛擬地址空間的紅黑樹
pgd_t *pgd; // 頁(yè)全局目錄
unsigned long mmap_base; // 進(jìn)程地址空間的起始地址
unsigned long mmap_legacy_base; // 兼容模式下的地址空間起始地址
unsigned long mmap_legacy_32bit; // 32位進(jìn)程的兼容模式標(biāo)志
unsigned long map_count; // 進(jìn)程的內(nèi)存映射數(shù)量
unsigned long rss; // 進(jìn)程的駐留集大小
unsigned long total_vm; // 進(jìn)程的虛擬內(nèi)存總大小
unsigned long locked_vm; // 進(jìn)程鎖定的虛擬內(nèi)存大小
// ... 其他成員
};
- mmap：指向虛擬內(nèi)存區(qū)域的鏈表，描述了進(jìn)程的內(nèi)存映射。
- mm_rb：用于管理進(jìn)程的虛擬地址空間的紅黑樹，用于快速查找虛擬地址的映射關(guān)系。
- pgd：頁(yè)全局目錄，用于管理進(jìn)程的頁(yè)表，實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射。
- mmap_base：進(jìn)程地址空間的起始地址。
- mmap_legacy_base：兼容模式下的地址空間起始地址。
- mmap_legacy_32bit：32位進(jìn)程的兼容模式標(biāo)志。
- map_count：進(jìn)程的內(nèi)存映射數(shù)量。
- rss：進(jìn)程的駐留集大小，表示進(jìn)程當(dāng)前使用的物理內(nèi)存大小。
- total_vm：進(jìn)程的虛擬內(nèi)存總大小。
- locked_vm：進(jìn)程鎖定的虛擬內(nèi)存大小。
3.files_struct文件表結(jié)構(gòu)
每個(gè)進(jìn)程在Linux內(nèi)核中都有一個(gè)文件表，用于跟蹤它打開的文件和文件描述符。這個(gè)文件表由files_struct結(jié)構(gòu)體表示。
struct files_struct {
atomic_t count; // 引用計(jì)數(shù)
struct fdtable *fdt; // 文件描述符表指針
struct file *file; // 進(jìn)程的文件列表
int next_fd; // 下一個(gè)可用的文件描述符
unsigned int max_fds; // 進(jìn)程可以打開的最大文件描述符數(shù)
unsigned long close_on_exec[FD_SETSIZE / BITS_PER_LONG]; // 文件執(zhí)行時(shí)需要關(guān)閉的位圖
unsigned long open_fds[FD_SETSIZE / BITS_PER_LONG]; // 打開文件描述符的位圖
struct file_lock *file_lock; // 文件鎖定信息
struct fown_struct *fown; // 文件擁有者信息
struct sigpending pending; // 等待處理的信號(hào)
// ... 其他成員
};
- count：引用計(jì)數(shù)器，用于跟蹤有多少個(gè)進(jìn)程共享這個(gè)files_struct結(jié)構(gòu)體。
- fdt：指向文件描述符表的指針，用于管理進(jìn)程打開的文件。
- file：進(jìn)程的文件列表，記錄了打開的文件和文件描述符的詳細(xì)信息。
- next_fd：下一個(gè)可用的文件描述符。
- max_fds：進(jìn)程可以打開的最大文件描述符數(shù)。
- fd：數(shù)組，存儲(chǔ)文件描述符的狀態(tài)，包括文件指針、文件標(biāo)志等。
- close_on_exec：位圖，記錄了哪些文件描述符在執(zhí)行exec系統(tǒng)調(diào)用時(shí)需要自動(dòng)關(guān)閉。
- open_fds：位圖，記錄了哪些文件描述符處于打開狀態(tài)。
- file_lock：文件鎖定信息，用于進(jìn)程間的文件鎖定機(jī)制。
- file_ra：文件讀取加速信息，用于提高文件讀取性能。
內(nèi)核對(duì)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)
Linux內(nèi)核通過task_struct結(jié)構(gòu)體來表示進(jìn)程的基本屬性和狀態(tài)，通過mm_struct結(jié)構(gòu)體管理進(jìn)程的地址空間，通過files_struct結(jié)構(gòu)體管理進(jìn)程的文件表。這三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體協(xié)同工作，構(gòu)成了Linux內(nèi)核對(duì)進(jìn)程的完整實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，內(nèi)核分配一個(gè)新的task_struct結(jié)構(gòu)體，并為其分配一個(gè)唯一的進(jìn)程ID。然后，內(nèi)核為該進(jìn)程分配一塊地址空間，用mm_struct結(jié)構(gòu)體來管理。最后，內(nèi)核為進(jìn)程分配一個(gè)文件表，用files_struct結(jié)構(gòu)體來管理文件和文件描述符。
這三個(gè)結(jié)構(gòu)體相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)建了一個(gè)完整的進(jìn)程。通過這種方式，Linux內(nèi)核能夠高效、安全地管理和調(diào)度多個(gè)進(jìn)程，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。
總結(jié)起來，Linux內(nèi)核中的進(jìn)程管理是一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，由task_struct、mm_struct和files_struct三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體協(xié)同工作。這些結(jié)構(gòu)體定義了進(jìn)程的屬性、地址空間和文件管理，為L(zhǎng)inux內(nèi)核的進(jìn)程管理提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。
