四张图搞懂 Linux 进程是什么?

    大家好，这里是物联网心球。

    本期文章，我们通过四张图来了解Linux进程是什么？

1.什么是进程？

    Linux 进程是正在运行的程序的实例，它是操作系统进行资源分配（如CPU、内存）和独立调度的基本单位。每个进程都拥有自己独立的虚拟地址空间和运行环境，彼此相互隔离。

2.从内核角度看进程

    从内核的角度看进程，进程是一个 task_struct 结构，task_struct 完整地描述了一个进程或线程的所有属性和状态，通常被称为进程描述符（Process Descriptor）或进程控制块（PCB）。

    task_struct 的定义如下：

structtask_struct {unsignedint            __state; /* 进程状态 *//* 进程调度相关 */int             prio; /* 动态优先级（实际优先级） */int             static_prio; /* 静态优先级，由 nice 值决定 */int             normal_prio; /* 普通优先级 */unsignedint    rt_priority; /* 实时优先级 */structsched_entityse;/* 普通进程调度实体，CFS 完全公平调度器专用 */structsched_rt_entityrt;/* 实时进程调度实体，RT 实时调度器专用 */structsched_dl_entitydl;/* 限期进程调度实体，DL 限期调度器专用 */conststructsched_class    *sched_class;/* 进程所属调度类，决定由哪个调度器管理 */unsignedint        policy; /* 调度策略 *//* 进程 CPU 亲和性相关 */int             nr_cpus_allowed; /* 进程可以绑定的CPU核心总数 */constcpumask_t     *cpus_ptr; /* 指向当前生效的CPU亲和性掩码（内核调度使用） */cpumask_t       *user_cpus_ptr; /* 用户态通过 sched_setaffinity() 设置的原始CPU掩码 */cpumask_t       cpus_mask; /* 进程实际允许运行的 CPU 位图掩码 *//* 进程地址空间 */structmm_struct        *mm;/* 进程的用户态虚拟内存地址空间 */structmm_struct        *active_mm;/* 进程运行时正在使用的活跃地址空间（用于内核线程借用）*//* 进程ID相关 */pid_t               pid; /* 线程ID */pid_t               tgid; /* 线程组ID *//* 进程关系相关 */structtask_struct __rcu    *real_parent;/* 真正的父进程 */structtask_struct __rcu    *parent;/* 接收 SIGCHLD 信号和 wait4() 报告的父进程 */structlist_headchildren;/* 子进程链表 */structlist_headsibling;/* 兄弟进程链表节点 */structtask_struct      *group_leader;/* 线程组组长 *//* 进程文件相关 */structfs_struct    *fs;/* 文件系统信息：进程当前工作目录、根目录、umask */structfiles_struct *files;/* 打开文件信息：进程所有打开的文件描述符表（fd 0,1,2...）*//* 进程信号处理相关 */structsignal_struct        *signal;/* 线程组共享的信号管理结构 */structsighand_struct __rcu     *sighand;/* 信号处理函数表 */sigset_t            blocked; /* 当前线程阻塞的信号掩码 */sigset_t            real_blocked; /* 真实阻塞掩码 */structsigpendingpending;/* 进程挂起信号队列 */    ......};

task_struct 结构体很复杂（几百个字段），逻辑上可分为以下几大模块：

• 进程标识与身份
• 进程状态
• 调度相关
• 进程家族关系（父子、兄弟）
• 内存管理信息
• 文件与文件系统信息
• 信号处理
• 时间统计
• 线程 / 进程组 / 会话
• 权限与安全（UID/GID、LSM）
• IO 与调度统计
• 调试、性能、特殊标记

    task_struct 是内核中的对象，如果用户程序想要查看其中的信息，需要通过特定的方式。/proc/[pid] 目录是 Linux proc 文件系统为每个进程自动创建的目录，内核通过该目录直接暴露进程运行时信息，用户通过该目录查看、调试进程状态。

/proc/[pid] 目录结构如下：

// 基础运行状态#define TASK_RUNNING 0x00000000 /*（R）运行/就绪态 */#define TASK_INTERRUPTIBLE 0x00000001 /*（S）可中断睡眠：可被信号唤醒 */#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 0x00000002 /*（D）不可中断睡眠：仅等待事件，不响应信号 */#define __TASK_STOPPED 0x00000004 /*（T）进程停止：收到 SIGSTOP 暂停 */#define __TASK_TRACED 0x00000008 /*（t）被调试跟踪：gdb/strace 暂停 */// 退出状态#define EXIT_DEAD 0x00000010 /*（X）进程完全死亡：资源已回收，最终态 */#define EXIT_ZOMBIE 0x00000020 /*（Z）僵尸态：进程退出，父进程未回收 */#define EXIT_TRACE (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD) /* 调试跟踪用退出态掩码 */--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------// 内核内部特殊状态#define TASK_PARKED 0x00000040 /* 线程停泊：CPU 热插拔/暂停工作 */#define TASK_DEAD 0x00000080 /* 死亡过渡态 */#define TASK_WAKEKILL 0x00000100 /* 可被致命信号唤醒的睡眠态 */#define TASK_WAKING 0x00000200 /* 正在唤醒：已触发唤醒，未完成调度 */#define TASK_NOLOAD 0x00000400 /* 不参与系统负载统计：idle 类进程 */#define TASK_NEW 0x00000800 /* 进程创建中：未初始化完成 */#define TASK_RTLOCK_WAIT 0x00001000 /* 实时锁等待：持有 RT 锁时等待 */#define TASK_FREEZABLE 0x00002000 /* 可冻结标志：支持挂起/休眠（电源管理）*/#define __TASK_FREEZABLE_UNSAFE (0x00004000 * IS_ENABLED(CONFIG_LOCKDEP)) /* 锁依赖检查用 */#define TASK_FROZEN 0x00008000 /* 已冻结：系统挂起时进程被冻结 */#define TASK_STATE_MAX 0x00010000 /* 状态最大值：状态掩码边界 */

    我们把这些状态分为：基础运行状态、退出状态、内核内部特殊状态。其中内核内部特殊状态我们不需要太关注，我们将重点放在基础运行状态和退出状态。

    Linux 进程的生命周期通过一个进程状态机来完成，进程状态机如图1所示。

图1    进程状态机

    当用户程序调用 fork 函数创建进程时，内核首先会创建一个 task_struct 对象（进程），此时进程处于 TASK_NEW 状态（进程刚创建未初始化完成的状态），当进程完成初始化后，进程会加入 CPU 就绪队列，此时进程处于 TASK_RUNNING（就绪态），如果进程被 CPU 选中，CPU 会执行进程中的代码，进程切换至 TASK_RUNNING（运行态）。当进程的时间片用完，进程会重新加入 CPU 就绪队列，进程状态又变为 TASK_RUNNING（就绪态）。

    当处于 TASK_RUNNING（运行态）的进程需要等待某个事件或者资源时，进程会切换成睡眠状态，睡眠状态分为两种：

• TASK_INTERRUPTIBLE（可中断睡眠）：等资源，但可以被信号叫醒
• TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断睡眠）：等资源，不能被信号打断，只能等事件完成自己醒。

    当处于 TASK_RUNNING（运行态）的进程调用 exit 函数或者异常退出时，进程切换至EXIT_ZOMBIE（僵尸态），处于僵尸态的进程的生命周期并没有结束，该进程需要等待父进程回收资源，父进程调用 wait 函数回收进程资源，进程从 EXIT_ZOMBIE 状态切换至 EXIT_DEAD（死亡）状态，进程生命周期结束。

4.进程 ID

    进程 ID 的定义如下：

task_struct {pid_t               pid; /* 进程或线程 ID */pid_t               tgid; /* 线程组 ID */    ......};

    PID 是进程标识符，每个线程（轻量级进程 LWP）都有独立 PID。

    在 Linux 2.4 及更早版本中，PID 就是传统意义上的进程 ID，线程没有独立的 PID。从 Linux 2.6 开始引入 NPTL (Native POSIX Thread Library)，每个线程都有独立的 PID。

    TGID 是线程组标识符，TGID 等于线程组 leader（主线程）的 PID。

    要正确理解 pid和 tgid，我们需要借助线程组这个概念，如图2所示。

图2    线程组

    引入线程组概念后，我们把进程称为主线程，主线程创建的线程是子线程。

    如果线程组只有一个进程，我们把它称为单线程进程，单线程进程的只有一个主线程，主线程的 pid 和 tgid 相等，并且线程组组长（task_struct 的 group_leader 成员）指向自身。

    当主线程创建子线程后，线程组将包含一个主线程和多个子线程，此时进程被称为多线程进程，线程组所有的线程的 tgid 都等于主线程的 tgid，并且 group_leader 都指向主线程，当然主线程的 pid 和 tgid 依然相等。每个线程的 pid 都不一样，因为 pid 是独立和唯一的。

    我们可以通过判断 pid 和 tgid 是否相等，来判断线程是否为主线程。另外每个线程的 tgid 都相等，表示所有的线程都处于同一个线程组。

    我们在做软件开发时，通常需要通过以下两个函数来获取进程 ID。

    getpid 函数用于获取当前进程的 PID（对应 task_struct 的 tgid 字段）。

#include<sys/types.h>#include<unistd.h>pid_t getpid(void);

    gettid 函数用于获取当前线程的真实线程 ID（Thread ID）（对应 task_struct 的 pid 字段）。

#include<unistd.h>#include<sys/types.h>pid_t gettid(void);

    这两个函数的内核实现原理如图3和图4所示。

图3    获取主线程pid和tgid

    如图3所示，当进程（主线程）调用 getpid 和 gettid 函数时，内核不会直接获取主线程 task_struct 的 pid 和 tgid 字段，因为引入容器技术后，从主机和容器内看到的进程 ID 信息是不一样的。

    task_struct 维护了一个 pid 表（signal 字段），pid 表中每个元素为：不同类型的 ID 对应的 struct pid 结构。PIDTYPE_TGID 表示 tgid 对应的 struct pid 结构，struct pid 结构中有一个 upid 表，表中的每个元素为：命名空间级别对应的 struct upid 结构，struct upid结构中的 nr 就是 ID 信息，命名空间 level 0对应的nr 最终会赋值给主线程pid 和 tgid。

    upid 表中的元素是按照命名空间等级来划分，所以主机和容器中获取到的进程 struct upid 结构是不一样的，所以 ID 信息也不一样。

    需要注意的是，gettid 函数是从 task_struct 结构的 thread_id 成员获取 struct pid 结构，而不是从 pid 表中获取，这个是内核的一个特殊设计。

    最后，我们再来看一下如何获取子线程的 pid 和 tgid，如图4所示。

 图4    获取子线程pid和tgid

    子线程调用 getpid 函数获取到的 tgid 信息和主线程是一样的，因为主线程创建子线程时，主线程和子线程会指向相同的 pid 表，所以二者查询到的是同一个 struct pid 结构，获取的 tgid 信息也是一样。

    子线程和主线程通过 gettid 获取的是进程 pid 是不一样的，因为内核创建子线程时，会新创建一个 struct pid 结构并初始化，子线程 task_struct 的 thread_id 指向新的 struct pid 结构，所以子线程获取到的是一个独立的 pid。

最后：

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