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12 | 进程数据结构（上）：项目多了就需要项目管理系统
前面两节，我们讲了如何使用系统调用，创建进程和线程。你是不是觉得进程和线程管理，还挺复杂的呢？如此复杂的体系，在内核里面应该如何管理呢？
有的进程只有一个线程，有的进程有多个线程，它们都需要由内核分配CPU来干活。可是CPU总共就这么几个，应该怎么管理，怎么调度呢？你是老板，这个事儿得你来操心。
首先，我们得明确，公司的项目售前售后人员，接来了这么多的项目，这是个好事儿。这些项目都通过办事大厅立了项的，有的需要整个项目组一起开发，有的是一个项目组分成多个小组并行开发。无论哪种模式，到你这个老板这里，都需要有一个项目管理体系，进行统一排期、统一管理和统一协调。这样，你才能对公司的业务了如指掌。
那具体应该怎么做呢？还记得咱们平时开发的时候，用的项目管理软件Jira吧？它的办法对我们来讲，就很有参考意义。
我们这么来看，其实，无论是一个大的项目组一起完成一个大的功能（单体应用模式），还是把一个大的功能拆成小的功能并行开发（微服务模式），这些都是开发组根据客户的需求来定的，项目经理没办法决定，但是从项目经理的角度来看，这些都是任务，需要同样关注进度、协调资源等等。
同样在Linux里面，无论是进程，还是线程，到了内核里面，我们统一都叫任务（Task），由一个统一的结构task_struct进行管理。这个结构非常复杂，但你也不用怕，我们慢慢来解析。
接下来，我们沿着建立项目管理体系的思路，设想一下，Linux的任务管理都应该干些啥？
首先，所有执行的项目应该有个项目列表吧，所以Linux内核也应该先弄一个链表，将所有的task_struct串起来。
struct list_head tasks;
接下来，我们来看每一个任务都应该包含哪些字段。
任务ID
每一个任务都应该有一个ID，作为这个任务的唯一标识。到时候排期啊、下发任务啊等等，都按ID来，就不会产生歧义。
task_struct里面涉及任务ID的，有下面几个：
pid_t pid;
pid_t tgid;
struct task_struct *group_leader;
你可能觉得奇怪，既然是ID，有一个就足以做唯一标识了，这个怎么看起来这么麻烦？这是因为，上面的进程和线程到了内核这里，统一变成了任务，这就带来两个问题。
第一个问题是，任务展示。
啥是任务展示呢？这么说吧，你作为老板，想了解的肯定是，公司都接了哪些项目，每个项目多少营收。什么项目执行是不是分了小组，每个小组是啥情况，这些细节，项目经理没必要全都展示给你看。
前面我们学习命令行的时候，知道ps命令可以展示出所有的进程。但是如果你是这个命令的实现者，到了内核，按照上面的任务列表把这些命令都显示出来，把所有的线程全都平摊开来显示给用户。用户肯定觉得既复杂又困惑。复杂在于，列表这么长；困惑在于，里面出现了很多并不是自己创建的线程。
第二个问题是，给任务下发指令。
如果客户突然给项目组提个新的需求，比如说，有的客户觉得项目已经完成，可以终止；再比如说，有的客户觉得项目做到一半没必要再进行下去了，可以中止，这时候应该给谁发指令？当然应该给整个项目组，而不是某个小组。我们不能让客户看到，不同的小组口径不一致。这就好比说，中止项目的指令到达一个小组，这个小组很开心就去休息了，同一个项目组的其他小组还干的热火朝天的。
Linux也一样，前面我们学习命令行的时候，知道可以通过kill来给进程发信号，通知进程退出。如果发给了其中一个线程，我们就不能只退出这个线程，而是应该退出整个进程。当然，有时候，我们希望只给某个线程发信号。
所以在内核中，它们虽然都是任务，但是应该加以区分。其中，pid是process id，tgid是thread group ID。
任何一个进程，如果只有主线程，那pid是自己，tgid是自己，group_leader指向的还是自己。
但是，如果一个进程创建了其他线程，那就会有所变化了。线程有自己的pid，tgid就是进程的主线程的pid，group_leader指向的就是进程的主线程。
好了，有了tgid，我们就知道tast_struct代表的是一个进程还是代表一个线程了。
信号处理
这里既然提到了下发指令的问题，我就顺便提一下task_struct里面关于信号处理的字段。
/* Signal handlers: */
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;
sigset_t blocked;
sigset_t real_blocked;
sigset_t saved_sigmask;
struct sigpending pending;
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
unsigned int sas_ss_flags;
这里定义了哪些信号被阻塞暂不处理（blocked），哪些信号尚等待处理（pending），哪些信号正在通过信号处理函数进行处理（sighand）。处理的结果可以是忽略，可以是结束进程等等。
信号处理函数默认使用用户态的函数栈，当然也可以开辟新的栈专门用于信号处理，这就是sas_ss_xxx这三个变量的作用。
上面我说了下发信号的时候，需要区分进程和线程。从这里我们其实也能看出一些端倪。
task_struct里面有一个struct sigpending pending。如果我们进入struct signal_struct *signal去看的话，还有一个struct sigpending shared_pending。它们一个是本任务的，一个是线程组共享的。
关于信号，你暂时了解到这里就够用了，后面我们会有单独的章节进行解读。
任务状态
作为一个项目经理，另外一个需要关注的是项目当前的状态。例如，在Jira里面，任务的运行就可以分成下面的状态。
在task_struct里面，涉及任务状态的是下面这几个变量：
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
int exit_state;
unsigned int flags;
state（状态）可以取的值定义在include/linux/sched.h头文件中。
/* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING 0
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
#define __TASK_STOPPED 4
#define __TASK_TRACED 8
/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD 16
#define EXIT_ZOMBIE 32
#define EXIT_TRACE (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
/* Used in tsk->state again: */
#define TASK_DEAD 64
#define TASK_WAKEKILL 128
#define TASK_WAKING 256
#define TASK_PARKED 512
#define TASK_NOLOAD 1024
#define TASK_NEW 2048
#define TASK_STATE_MAX 4096
从定义的数值很容易看出来，state是通过bitset的方式设置的，也就是说，当前是什么状态，哪一位就置一。
TASK_RUNNING并不是说进程正在运行，而是表示进程在时刻准备运行的状态。当处于这个状态的进程获得时间片的时候，就是在运行中；如果没有获得时间片，就说明它被其他进程抢占了，在等待再次分配时间片。
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TASK_INTERRUPTIBLE，可中断的睡眠状态。这是一种浅睡眠的状态，也就是说，虽然在睡眠，等待I/O完成，但是这个时候一个信号来的时候，进程还是要被唤醒。只不过唤醒后，不是继续刚才的操作，而是进行信号处理。当然程序员可以根据自己的意愿，来写信号处理函数，例如收到某些信号，就放弃等待这个I/O操作完成，直接退出；或者收到某些信息，继续等待。
另一种睡眠是TASK_UNINTERRUPTIBLE，不可中断的睡眠状态。这是一种深度睡眠状态，不可被信号唤醒，只能死等I/O操作完成。一旦I/O操作因为特殊原因不能完成，这个时候，谁也叫不醒这个进程了。你可能会说，我kill它呢？别忘了，kill本身也是一个信号，既然这个状态不可被信号唤醒，kill信号也被忽略了。除非重启电脑，没有其他办法。
因此，这其实是一个比较危险的事情，除非程序员极其有把握，不然还是不要设置成TASK_UNINTERRUPTIBLE。
于是，我们就有了一种新的进程睡眠状态，TASK_KILLABLE，可以终止的新睡眠状态。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。
从定义可以看出，TASK_WAKEKILL用于在接收到致命信号时唤醒进程，而TASK_KILLABLE相当于这两位都设置了。
#define TASK_KILLABLE (TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE)
TASK_STOPPED是在进程接收到SIGSTOP、SIGTTIN、SIGTSTP或者SIGTTOU信号之后进入该状态。
TASK_TRACED表示进程被debugger等进程监视，进程执行被调试程序所停止。当一个进程被另外的进程所监视，每一个信号都会让进程进入该状态。
一旦一个进程要结束，先进入的是EXIT_ZOMBIE状态，但是这个时候它的父进程还没有使用wait()等系统调用来获知它的终止信息，此时进程就成了僵尸进程。
EXIT_DEAD是进程的最终状态。
EXIT_ZOMBIE和EXIT_DEAD也可以用于exit_state。
上面的进程状态和进程的运行、调度有关系，还有其他的一些状态，我们称为标志。放在flags字段中，这些字段都被定义成为宏，以PF开头。我这里举几个例子。
#define PF_EXITING 0x00000004
#define PF_VCPU 0x00000010
#define PF_FORKNOEXEC 0x00000040
PF_EXITING表示正在退出。当有这个flag的时候，在函数find_alive_thread中，找活着的线程，遇到有这个flag的，就直接跳过。
PF_VCPU表示进程运行在虚拟CPU上。在函数account_system_time中，统计进程的系统运行时间，如果有这个flag，就调用account_guest_time，按照客户机的时间进行统计。
PF_FORKNOEXEC表示fork完了，还没有exec。在_do_fork函数里面调用copy_process，这个时候把flag设置为PF_FORKNOEXEC。当exec中调用了load_elf_binary的时候，又把这个flag去掉。
进程调度
进程的状态切换往往涉及调度，下面这些字段都是用于调度的。为了让你理解task_struct进程管理的全貌，我先在这里列一下，咱们后面会有单独的章节讲解，这里你只要大概看一下里面的注释就好了。
//是否在运行队列上
int on_rq;
//优先级
int prio;
int static_prio;
int normal_prio;
unsigned int rt_priority;
//调度器类
const struct sched_class *sched_class;
//调度实体
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
struct sched_dl_entity dl;
//调度策略
unsigned int policy;
//可以使用哪些CPU
int nr_cpus_allowed;
cpumask_t cpus_allowed;
struct sched_info sched_info;
总结时刻
这一节，我们讲述了进程管理复杂的数据结构，我还是画一个图总结一下。这个图是进程管理task_struct的结构图。其中红色的部分是今天讲的部分，你可以对着这张图说出它们的含义。
课堂练习
这一节我们讲了任务的状态，你可以试着在代码里面搜索一下这些状态改变的地方是哪个函数，是什么时机，从而进一步理解任务的概念。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。
