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linux进程的深入理解与分析
       进程是程序的一次执行过程。用剧本和演出来类比，程序相当于剧本，而进程则相当于剧本的一次演出，舞台、灯光则相当于进程的运行环境。
进程的堆栈
      每个进程都有自己的堆栈，内核在创建一个新的进程时，在创建进程控制块task_struct的同时，也为进程创建堆栈。一个进程有2个堆栈：用户堆栈和系统堆栈；用户堆栈的空间指向用户地址空间，内核堆栈的空间指向内核地址空间。当进程在用户态运行时，CPU堆栈指针寄存器指向用户堆栈地址，使用用户堆栈；当进程运行在内核态时，CPU堆栈指针寄存器指向的是内核栈空间地址，使用的是内核栈。
进程用户栈和内核栈之间的切换
       当进程由于中断或系统调用从用户态转换到内核态时，进程所使用的栈也要从用户栈切换到内核栈。系统调用实质就是通过指令产生中断，称为软中断。进程因为中断（软中断或硬件产生中断），使得CPU切换到特权工作模式，此时进程陷入内核态，进程进入内核态后，首先把用户态的堆栈地址保存在内核堆栈中，然后设置堆栈指针寄存器的地址为内核栈地址，这样就完成了用户栈向内核栈的切换。
      当进程从内核态切换到用户态时，最后把保存在内核栈中的用户栈地址恢复到CPU栈指针寄存器即可，这样就完成了内核栈向用户栈的切换。
       这里要理解一下内核堆栈。前面我们讲到，进程从用户态进入内核态时，需要在内核栈中保存用户栈的地址。那么进入内核态时，从哪里获得内核栈的栈指针呢？
      要解决这个问题，先要理解从用户态刚切换到内核态以后，进程的内核栈总是空的。这点很好理解，当进程在用户空间运行时，使用的是用户栈；当进程在内核态运行时，内核栈中保存进程在内核态运行的相关信息，但是当进程完成了内核态的运行，重新回到用户态时，此时内核栈中保存的信息全部恢复，也就是说，进程在内核态中的代码执行完成回到用户态时，内核栈是空的。
     理解了从用户态刚切换到内核态以后，进程的内核栈总是空的，那刚才这个问题就很好理解了，因为内核栈是空的，那当进程从用户态切换到内核态后，把内核栈的栈顶地址设置给CPU的栈指针寄存器就可以了。
      Arm Linux内核栈定义如下（可能现在的版本有所改变，但不妨碍我们对内核栈的理解），在include/linux/sched.h中定义了如下一个联合结构：
union thread_union {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

从这个结构可以看出，内核栈占8KB的内存区。实际上，进程的task_struct结构所占的内存是由内核动态分配的，更确切地说，内核根本不给task_struct分配内存，而仅仅给内核栈分配8K的内存，并把其中的一部分给task_struct使用。
      这样内核栈的起始地址就是union task_union变量的地址+8K 字节的长度。例如：我们动态分配一个union task_union类型的变量如下：
unsigned char *gtaskkernelstack;
gtaskkernelstack = kmalloc(sizeof(union task_union));
       那么该进程每次进入内核态时，内核栈的起始地址均为：（unsigned char *）gtaskkernelstack + 8096 
进程上下文
       进程切换现场称为进程上下文(context)，包含了一个进程所具有的全部信息，一般包括：进程控制块（Process Control Block，PCB）、有关程序段和相应的数据集。

进程控制块PCB（任务控制块）
        进程控制块是进程在内存中的静态存在方式，Linux内核中用struct task_struct表示一个进程（相当于进程的人事档案）。进程的静态描述必须保证一个进程在获得CPU并重新进入运行态时，能够精确的接着上次运行的位置继续进行，相关的程序段，数据以及CPU现场信息必须保存。处理器现场信息主要包括处理器内部寄存器和堆栈等基本数据。
进程控制块一般可以分为进程描述信息、进程控制信息，进程相关的资源信息和CPU现场保护机构。 
进程的切换
当一个进程的时间片到时，进程需要让出CPU给其他进程运行，内核需要进行进程切换。
Linux 的进程切换是通过调用函数进程切换函数schedule来实现的。进程切换主要分为2个步骤：
1. 调用switch_mm()函数进行进程页表的切换；
2. 调用 switch_to() 函数进行 CPU寄存器切换； 

__switch_to定义在arch/arm/kernel目录下的entry-armv.S 文件中，源码如下：
ENTRY(__switch_to)
UNWIND(.fnstart )
UNWIND(.cantunwind )
add ip, r1, #TI_CPU_SAVE
ldr r3, [r2, #TI_TP_VALUE]
ARM( stmia ip!, {r4 - sl, fp, sp, lr} ) @ Store most regs on stack
THUMB( stmia ip!, {r4 - sl, fp} ) @ Store most regs on stack
THUMB( str sp, [ip], #4 )
THUMB( str lr, [ip], #4 )
#ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
ldr r6, [r2, #TI_CPU_DOMAIN]
#endif
set_tls r3, r4, r5
#if defined(CONFIG_CC_STACKPROTECTOR) && !defined(CONFIG_SMP)
ldr r7, [r2, #TI_TASK]
ldr r8, =__stack_chk_guard
ldr r7, [r7, #TSK_STACK_CANARY]
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
mcr p15, 0, r6, c3, c0, 0 @ Set domain register
#endif
mov r5, r0
add r4, r2, #TI_CPU_SAVE
ldr r0, =thread_notify_head
mov r1, #THREAD_NOTIFY_SWITCH
bl atomic_notifier_call_chain
#if defined(CONFIG_CC_STACKPROTECTOR) && !defined(CONFIG_SMP)
str r7, [r8]
#endif
THUMB( mov ip, r4 )
mov r0, r5
ARM( ldmia r4, {r4 - sl, fp, sp, pc} ) @ Load all regs saved previously
THUMB( ldmia ip!, {r4 - sl, fp} ) @ Load all regs saved previously
THUMB( ldr sp, [ip], #4 )
THUMB( ldr pc, [ip] )
UNWIND(.fnend )
ENDPROC(__switch_to)

switch_to的处理流程如下： 
1. 保存本进程的CPU寄存器（PC、R0 ~ R13）到本进程的栈中；
2. 保存SP(本进程的栈基地址)到task->thread.save 中；
3. 从新进程的task->thread.save恢复SP为新进程的栈基地址；
4. 从新进程的栈中恢复新进程的CPU相关寄存器值，
5. 新进程开始运行，完成任务切换。 

这里可能会想到，在进行任务切换的时候，到底是在运行进程1还是运行进程2呢？进程切换的时候，已经进行页表切换，那页表切换之后，切换进程使用的是进程1还是进程2的页表呢？ 
要回答这个问题，首先我们要明白由谁来完成进程切换？ 
通过对操作系统的理解，毫无疑问，进程切换是由内核来完成的，也就是说，在进行进程切换时，CPU运行在内核模式，使用的是内核空间的内核代码，它既不属于进程1，也不属于进程2，当进程的时间片到时，内核提供服务来完成进程的切换。既不使用进程1的页表，也不使用进程2的页表，使用的内核映射页表。这样我们就很好理解上面的问题了。 

什么是进程的“内核栈”
在每一个进程的生命周期中，必然会通过到系统调用陷入内核。在执行系统调用陷入内核之后，这些内核代码所使用的栈并不是原先用户空间中的栈，而是一个内核空间的栈，这个称作进程的“内核栈”。
比如，有一个简单的字符驱动实现了open方法。在这个驱动挂载后，应用程序对那个驱动所对应的设备节点执行open操作，这个应用程序的open其实就通过glib库调用了Linux的open系统调用，执行系统调用陷入内核后，处理器转换为了特权模式（具体的转换机制因构架而异，对于ARM来说普通模式和用户模式的的栈针（SP）是不同的寄存器），此时使用的栈指针就是内核栈指针，他指向内核为每个进程分配的内核栈空间。

内核栈的作用
我个人的理解是：在陷入内核后，系统调用中也是存在函数调用和自动变量，这些都需要栈支持。用户空间的栈显然不安全，需要内核栈的支持。此外，内核栈同时用于保存一些系统调用前的应用层信息（如用户空间栈指针、系统调用参数）。

内核栈与进程结构体的关联
每个进程在创建的时候都会得到一个内核栈空间，内核栈和进程的对应关系是通过2个结构体中的指针成员来完成的：
（1）struct task_struct
在学习Linux进程管理肯定要学的结构体，在内核中代表了一个进程，其中记录的进程的所有状态信息，定义在sched.h (include/linux)。
其中有一个成员：void *stack;就是指向下面的内核栈结构体的“栈底”。
在系统运行的时候，宏current获得的就是当前进程的struct task_struct结构体。
struct task_struct {
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
void *stack;
atomic_t usage;
unsigned int flags; /* per process flags, defined below */
unsigned int ptrace;

#ifdef CONFIG_SMP
struct llist_node wake_entry;
int on_cpu;
#endif
int on_rq;

int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;
const struct sched_class *sched_class;
struct sched_entity se;
struct sched_rt_entity rt;
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
struct task_group *sched_task_group;
#endif

#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
/* list of struct preempt_notifier: */
struct hlist_head preempt_notifiers;
#endif

/*
* fpu_counter contains the number of consecutive context switches
* that the FPU is used. If this is over a threshold, the lazy fpu
* saving becomes unlazy to save the trap. This is an unsigned char
* so that after 256 times the counter wraps and the behavior turns
* lazy again; this to deal with bursty apps that only use FPU for
* a short time
*/
unsigned char fpu_counter;
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
unsigned int btrace_seq;
#endif

unsigned int policy;
cpumask_t cpus_allowed;

#ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU
int rcu_read_lock_nesting;
char rcu_read_unlock_special;
struct list_head rcu_node_entry;
#endif /* #ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU */
#ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU
struct rcu_node *rcu_blocked_node;
#endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */
#ifdef CONFIG_RCU_BOOST
struct rt_mutex *rcu_boost_mutex;
#endif /* #ifdef CONFIG_RCU_BOOST */

#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
struct sched_info sched_info;
#endif

struct list_head tasks;
#ifdef CONFIG_SMP
struct plist_node pushable_tasks;
#endif

struct mm_struct *mm, *active_mm;
#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
unsigned brk_randomized:1;
#endif
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
struct task_rss_stat rss_stat;
#endif
/* task state */
int exit_state;
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */
unsigned int jobctl; /* JOBCTL_*, siglock protected */
/* ??? */
unsigned int personality;
unsigned did_exec:1;
unsigned in_execve:1; /* Tell the LSMs that the process is doing an
* execve */
unsigned in_iowait:1;

/* Revert to default priority/policy when forking */
unsigned sched_reset_on_fork:1;
unsigned sched_contributes_to_load:1;

#ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS
/* IRQ handler threads */
unsigned irq_thread:1;
#endif

pid_t pid;
pid_t tgid;

#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
/* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
unsigned long stack_canary;
#endif

/*
* pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
* older sibling, respectively. (p->father can be replaced with
* p->real_parent->pid)
*/
struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
/*
* children/sibling forms the list of my natural children
*/
struct list_head children; /* list of my children */
struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list */
struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */

/*
* ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
* This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
* p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
*/
struct list_head ptraced;
struct list_head ptrace_entry;

/* PID/PID hash table linkage. */
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
struct list_head thread_group;

struct completion *vfork_done; /* for vfork() */
int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */
int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */

cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
cputime_t gtime;
#ifndef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING
cputime_t prev_utime, prev_stime;
#endif
unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
struct timespec start_time; /* monotonic time */
struct timespec real_start_time; /* boot based time */
/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
unsigned long min_flt, maj_flt;

struct task_cputime cputime_expires;
struct list_head cpu_timers[3];

/* process credentials */
const struct cred __rcu *real_cred; /* objective and real subjective task
* credentials (COW) */
const struct cred __rcu *cred; /* effective (overridable) subjective task
* credentials (COW) */
struct cred *replacement_session_keyring; /* for KEYCTL_SESSION_TO_PARENT */

char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
- access with [gs]et_task_comm (which lock
it with task_lock())
- initialized normally by setup_new_exec */
/* file system info */
int link_count, total_link_count;
#ifdef CONFIG_SYSVIPC
/* ipc stuff */
struct sysv_sem sysvsem;
#endif
#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
/* hung task detection */
unsigned long last_switch_count;
#endif
/* CPU-specific state of this task */
struct thread_struct thread;
/* filesystem information */
struct fs_struct *fs;
/* open file information */
struct files_struct *files;
/* namespaces */
struct nsproxy *nsproxy;
/* signal handlers */
struct signal_struct *signal;
struct sighand_struct *sighand;

sigset_t blocked, real_blocked;
sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */
struct sigpending pending;

unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
struct audit_context *audit_context;
#ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL
uid_t loginuid;
unsigned int sessionid;
#endif
seccomp_t seccomp;

/* Thread group tracking */
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
/* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed,
* mempolicy */
spinlock_t alloc_lock;

/* Protection of the PI data structures: */
raw_spinlock_t pi_lock;

#ifdef CONFIG_RT_MUTEXES
/* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */
struct plist_head pi_waiters;
/* Deadlock detection and priority inheritance handling */
struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on;
#endif

#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
/* mutex deadlock detection */
struct mutex_waiter *blocked_on;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
unsigned int irq_events;
unsigned long hardirq_enable_ip;
unsigned long hardirq_disable_ip;
unsigned int hardirq_enable_event;
unsigned int hardirq_disable_event;
int hardirqs_enabled;
int hardirq_context;
unsigned long softirq_disable_ip;
unsigned long softirq_enable_ip;
unsigned int softirq_disable_event;
unsigned int softirq_enable_event;
int softirqs_enabled;
int softirq_context;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
# define MAX_LOCK_DEPTH 48UL
u64 curr_chain_key;
int lockdep_depth;
unsigned int lockdep_recursion;
struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
gfp_t lockdep_reclaim_gfp;
#endif

/* journalling filesystem info */
void *journal_info;

/* stacked block device info */
struct bio_list *bio_list;

#ifdef CONFIG_BLOCK
/* stack plugging */
struct blk_plug *plug;
#endif

/* VM state */
struct reclaim_state *reclaim_state;

struct backing_dev_info *backing_dev_info;

struct io_context *io_context;

unsigned long ptrace_message;
siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use. */
struct task_io_accounting ioac;
#if defined(CONFIG_TASK_XACCT)
u64 acct_rss_mem1; /* accumulated rss usage */
u64 acct_vm_mem1; /* accumulated virtual memory usage */
cputime_t acct_timexpd; /* stime + utime since last update */
#endif
#ifdef CONFIG_CPUSETS
nodemask_t mems_allowed; /* Protected by alloc_lock */
seqcount_t mems_allowed_seq; /* Seqence no to catch updates */
int cpuset_mem_spread_rotor;
int cpuset_slab_spread_rotor;
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUPS
/* Control Group info protected by css_set_lock */
struct css_set __rcu *cgroups;
/* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
struct list_head cg_list;
#endif
#ifdef CONFIG_FUTEX
struct robust_list_head __user *robust_list;
#ifdef CONFIG_COMPAT
struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list;
#endif
struct list_head pi_state_list;
struct futex_pi_state *pi_state_cache;
#endif
#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
struct perf_event_context *perf_event_ctxp[perf_nr_task_contexts];
struct mutex perf_event_mutex;
struct list_head perf_event_list;
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
struct mempolicy *mempolicy; /* Protected by alloc_lock */
short il_next;
short pref_node_fork;
#endif
struct rcu_head rcu;

/*
* cache last used pipe for splice
*/
struct pipe_inode_info *splice_pipe;
#ifdef CONFIG_TASK_DELAY_ACCT
struct task_delay_info *delays;
#endif
#ifdef CONFIG_FAULT_INJECTION
int make_it_fail;
#endif
/*
* when (nr_dirtied >= nr_dirtied_pause), it's time to call
* balance_dirty_pages() for some dirty throttling pause
*/
int nr_dirtied;
int nr_dirtied_pause;
unsigned long dirty_paused_when; /* start of a write-and-pause period */

#ifdef CONFIG_LATENCYTOP
int latency_record_count;
struct latency_record latency_record[LT_SAVECOUNT];
#endif
/*
* time slack values; these are used to round up poll() and
* select() etc timeout values. These are in nanoseconds.
*/
unsigned long timer_slack_ns;
unsigned long default_timer_slack_ns;

struct list_head *scm_work_list;
#ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
/* Index of current stored address in ret_stack */
int curr_ret_stack;
/* Stack of return addresses for return function tracing */
struct ftrace_ret_stack *ret_stack;
/* time stamp for last schedule */
unsigned long long ftrace_timestamp;
/*
* Number of functions that haven't been traced
* because of depth overrun.
*/
atomic_t trace_overrun;
/* Pause for the tracing */
atomic_t tracing_graph_pause;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACING
/* state flags for use by tracers */
unsigned long trace;
/* bitmask and counter of trace recursion */
unsigned long trace_recursion;
#endif /* CONFIG_TRACING */
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR /* memcg uses this to do batch job */
struct memcg_batch_info {
int do_batch; /* incremented when batch uncharge started */
struct mem_cgroup *memcg; /* target memcg of uncharge */
unsigned long nr_pages; /* uncharged usage *