linux內核中task_struct與thread_info及stack三者的關系

在linux內核中進程以及線程（多線程也是通過一組輕量級進程實現的）都是通過task_struct結構體來描述的，我們稱它為進程描述符。而thread_info則是一個與進程描述符相關的小數據結構，它同進程的內核態棧stack存放在一個單獨為進程分配的內存區域。由於這個內存區域同時保存了thread_info和stack，所以使用了聯合體來定義，相關數據結構如下（基於4.4.87版本內核）：

 thread_union聯合體定義：

union thread_union {
    struct thread_info thread_info;
    unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

thread_info結構體定義：

struct thread_info {
    unsigned long        flags;        /* low level flags */
    mm_segment_t        addr_limit;    /* address limit */
    struct task_struct    *task;        /* main task structure */
    int            preempt_count;    /* 0 => preemptable, <0 => bug */
    int            cpu;        /* cpu */
};

task_struct的結構比較復雜，只列出部分成員變量，完整的可以在下面這個網站直接查看對應版本的內核代碼

http://elixir.free-electrons.com/linux

struct task_struct {
    volatile long state;
    void *stack; 
　//...
#ifdef CONFIG_SMP
    int on_cpu;
    int wake_cpu;
#endif
    int on_rq;
 　//...
#ifdef CONFIG_SCHED_INFO
    struct sched_info sched_info;
#endif
　//... 
    pid_t pid;
    pid_t tgid;
　//...
}; 

用一副圖來表示：

 

這樣設計的好處就是，得到stack，thread_info或task_struct任意一個數據結構的地址，就可以很快得到另外兩個數據的地址。

我們可以通過crash工具在ubuntu系統上做個實驗，來窺視一下某個進程的進程描述符

如果通過crash分析內核數據結構，可參考：

http://www.cnblogs.com/yanghaizhou/p/7704421.html

這里以進程systemd進程為例，其pid=1

crash> task 1
PID: 1      TASK: ffff88007c898000  CPU: 1   COMMAND: "systemd"
struct task_struct {
  state = 1,
  stack = 0xffff88007c894000,
  usage = {
    counter = 2
  },
。。。

可以看到systemd進程的task_struct結構體指針task=0xffff88007c898000

通過task->stack這個結構體成員即可定位到進程的內核棧地址 stack=0xffff88007c894000

另外從之前的圖可以看到，thread_info和stack處於同一地址空間，且thread_info在這段地址空間的最低地址處，而且這個地址空間是以THREAD_SIZE對齊的，所以只要將stack地址的最低N位變為0，即可得到thread_info的地址（2^N=THREAD_SIZE)

例如當THREAD_SZIE=8K時，systemd的thread_info地址就等於0xffff88007c894000&(~(0x1FFF)) = 0xffff88007c894000

crash> * thread_info 0xffff88007c894000
struct thread_info {
  task = 0xffff88007c898000,
  flags = 0,
  status = 0,
  cpu = 0,
  addr_limit = {
    seg = 140737488351232
  },
  sig_on_uaccess_error = 0,
  uaccess_err = 0
}

 

 

  而通過thread_info->task這個成員變量，又能訪問到進程的task_struct結構體，這樣就形成了task_struct, thread_info,stack三者之間的關系網，知道其中任何一個，都可以快速的訪問到另外兩個，提高了數據存取的效率。