Linux进程数据结构

• 对于Linux，无论是进程，还是线程，在内核里面，统一称为任务(Task)，由一个统一的结构task_struct进行管理。每一个任务都有一个ID，作为这个任务的唯一标识。

• Linux可以通过kill来给进程发信号，通知进程退出。在运行中的进程，一旦要进行一些I/O操作，需要等待I/O完毕，这个时候会释放CPU，进入睡眠状态。

• 在Linux中，有两种睡眠状态：一种是可中断的睡眠状态(TASK_INTERRUPTIBLE)，这是一种浅睡眠的状态，即虽然在睡眠，等待I/O完成，但是此时来一个信号，进程还是要被唤醒，但唤醒后，程序员可以自定义是否进行信号处理，还是等待I/O操作完成再进行信号处理；另一种睡眠是不可中断的睡眠状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，这是一种深度睡眠状态，不可被信号唤醒，只能等I/O操作完成，一旦I/O操作因为特殊原因不能完成，此时，该进程再也无法被唤醒，这是比较致命的操作，于是，就有了一种新的进程睡眠状态，可以终止的新睡眠状态(TASK_KILLABLE)，进程处于这种状态中，它的运行原理类似 TASK_UNINTERRUPTIBLE，只不过可以响应致命信号。

• 进程的状态切换往往涉及调度。

• Linux可以借助用户和用户组控制进程权限，也可以通过capabilities机制控制进程权限。(Capabilities机制，将root用户的权限细分为不同的领域，可以分别启用或禁用，每个线程可以有自己的capabilities，即它细分到线程)

• 每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，这需要一个数据结构来表示，就是mm_struct。

• 每个进程有一个文件系统的数据结构，还有一个打开文件的数据结构。

• 在Linux里面，一个进程可以随时通过setuid设置用户ID，setuid是一个权限的特殊标志位，带有这个标志位可以对文件执行等同root的权限。

• 任何一个进程都有父进程，所以，整个进程其实是一棵进程树。拥有同一父进程的所有进程都具有兄弟关系。

• task_struct使用链表结构，是为了维护多个task之间的关系：一个task节点的parent指针指向其父进程task，当它终止时，必须向它的父进程发送信号；children表示链表的头部，链表中的所有元素都是它的子进程，所以，children指针指向子进程所有task的头部；sibling指针用于把当前进程插入到兄弟链表中来维护统一级兄弟task。

• 在进程的内存空间里面，栈是一个从高地址到低地址，往下增长的结构，也就是上面是栈底，下面是栈顶，入栈和出栈的操作都是从下面的栈顶开始的。

• 在用户态中，程序的执行往往是一个函数调用另一个函数，函数调用都是通过进程内存空间里的栈操作来进行的。

• 在程序执行过程中，一旦调用到系统调用，就需要进入内核继续执行。内核中各种函数调用需要使用内核栈(stack)机制。Linux给每个task都分配了内核栈。

• 内核栈结构的最低位置，是一个thread_info结构，它是对task_struct结构的补充。因为task_struct结构庞大但是通用，不同的体系结构就需要保存不同的东西，所以往往与体系结构有关的，都放在thread_info里面。

• 在内核栈的最高地址端，存放另一个结构pt_regs。当系统调用从用户态到内核态的时候，首先要做的事情，就是将用户态运行过程中的CPU上下文保存起来，其实主要就是保存在这个pt_regs结构的寄存器变量里。这样当从内核系统调用返回的时候，才能让进程在刚才的地方接着运行下去。

• CPU用ring来区分权限，从而Linux可以区分内核态和用户态。

• 多核情况下，CPU是同时运行的，但是它们共同使用其他硬件资源时，需要解决多个CPU之间的同步问题。Per CPU变量是内核中一种重要的同步机制，Per CPU变量就是为每个CPU构造一个变量的副本，这样多个CPU各自操作自己的副本，互不干涉。于是，每个64位CPU运行的task_struct不通过thread_info获取，直接放在Per CPU变量里面。

• 在用户态，应用程序进行了至少一次函数调用。32位和64位的传递参数的方式稍有不同：32位的就是用函数栈，64位的前6个参数用寄存器，其他的用函数栈；在内核态，32位和64位都使用内核栈，格式也稍有不同，主要集中在pt_regs结构上。

• 在内核态，32位和64位的内核栈和task_struct的关联关系不同，32位主要靠thread_info，64位主要靠Per-CPU变量。