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。
精选留言
2019-04-22 18:04:15
- 通过链表串起 task_struct
- task_struct 中包含: 任务ID; 任务状态; 信号处理相关字段; 调度相关字段; 亲缘关系; 权限相关; 运行统计; 内存管理; 文件与文件系统; 内核栈;
- 任务 ID; 包含 pid, tgid 和 \*group_leader
- pid(process id, 线程的id); tgid(thread group id, 所属进程[主线程]的id); group_leader 指向 tgid 的结构体
- 通过对比 pid 和 tgid 可判断是进程还是线程
- 信号处理, 包含阻塞暂不处理; 等待处理; 正在处理的信号
- 信号处理函数默认使用用户态的函数栈, 也可以开辟新的栈专门用于信号处理, 由 sas_ss_xxx 指定
- 通过 pending/shared_pending 区分进程和线程的信号
- 任务状态; 包含 state; exit_state; flags
- 准备运行状态 TASK_RUNNING
- 睡眠状态：可中断; 不可中断; 可杀
- 可中断 TASK_INTERRUPTIBLE, 收到信号要被唤醒
- 不可中断 TASK_UNINTERRUPTIBLE, 收到信号不会被唤醒, 不能被kill, 只能重启
- 可杀 TASK_KILLABLE, 可以响应致命信号, 由不可中断与 TASK_WAKEKILL 组合
- 停止状态 TASK_STOPPED, 由信号 SIGSTOP, SIGTTIN, SIGTSTP 与 SIGTTOU 触发进入
- 调试跟踪 TASK_TRACED， 被 debugger 等进程监视时进入
- 结束状态(包含 exit_state)
- EXIT_ZOMBIE, 父进程还没有 wait()
- EXIT_DEAD, 最终状态
- flags, 例如 PF_VCPU 表示运行在虚拟 CPU 上; PF_FORKNOEXEC \_do_fork 函数里设置, exec 函数中清除
- 进程调度; 包含 是否在运行队列; 优先级; 调度策略; 可以使用那些 CPU 等信息.
2019-04-22 09:41:09
2019-05-01 11:13:58
有个问题一直纠结，信号处理函数到底是在哪个线程中运行的？
2019-08-19 22:13:00
2019-05-11 20:21:35
但是有多个线程就不一样了，pid是这个子线程，tgid和group_leader都是指向主线程。
好奇，tgid与group_leader不就相同作用吗？在上面的二种情况下，为什么需要二个相同功能的域？
2019-04-22 11:52:03
2019-04-23 14:51:44
2019-04-22 09:51:57
2021-01-06 15:44:57
struct list_head {
struct list_head *prev;
struct list_head *next;
}
2. task_struct结构中有一个成员变量task，其类型为list_head,通过task，把所有task_struct构成一个双向链表
struct task_struct {
...
struct list_head task;
...
}
3. 但是会有一个问题，我们举个例子：假设现在有三个task_struct,其关联顺序为为 TSA <-> TSB <-> TSC。我们希望通过 TSA 找到他的下一个任务 TSB。
首先通过 TSA 找到其成员变量 task，然后通过 task 找到 next（TSB中的task），但是我们要的是TSB,我们只找到了TSB中的成员变量 task。
所以内核有一个宏定义：list_entry (ptr,type,member)，就是解决这个问题。使用list_entry可以通过task的地址找到它所在的 task_struct 的地址。
4. list_entry (ptr,type,member) 原理：
根据结构体中的一个成员变量地址导出包含这个成员变量mem的struct地址。
大概就是我们知道 task的地址，task变量的名称，task所处的结构体的类型（在这里就是task_struct），我们可以找到哪些变量中引用了task，同时通过变量名称，所处结构体类型筛选，得到所处结构体的地址
2019-04-23 07:22:31
数组在物理空间上必须要连续，而链表物理空间上可以不连续。
2019-04-22 21:18:13
2020-05-27 22:26:38
老师把代码归纳了一下，方便理解
2019-05-09 09:32:07
2020-04-07 22:53:18
2019-04-24 18:07:30
2019-04-23 14:04:01
2021-07-27 20:06:37
2019-08-12 22:17:11
2019-05-11 20:22:49
2019-05-05 10:06:59