Linux 內核使用 task_struct 數據結構來關聯所有與進程有關的數據和結構，Linux 內核所有涉及到進程和程序的所有算法都是圍繞該數據結構建立的，是內核中最重要的數據結構之一。
該數據結構在內核文件include/linux/sched.h中定義，在目前最新的Linux-4.5(截至目前的日期為2016-05-11)的內核中，該數據結構足足有 380 行之多，在這裡我不可能逐項去描述其表示的含義，本篇文章只關注該數據結構如何來組織和管理進程ID的。
進程ID概述
進程ID類型
要想了解內核如何來組織和管理進程ID，先要知道進程ID的類型：
內核中進程ID的類型用pid_type來描述。
enum pid_type
{
PIDTYPE_PID,
PIDTYPE_PGID,
PIDTYPE_SID,
PIDTYPE_MAX
};
PID 內核唯一區分每個進程的標識
pid是 Linux 中在其命名空間中唯一標識進程而分配給它的一個號碼，稱做進程ID號，簡稱PID。在使用 fork 或 clone 系統調用時產生的進程均會由內核分配一個新的唯一的PID值
這個pid用於內核唯一的區分每個進程
注意它並不是我們用戶空間通過getpid( )所獲取到的那個進程號，至於原因麼，接著往下看
TGID 線程組(輕量級進程組)的ID標識
在一個進程中，如果以CLONE_THREAD標志來調用clone建立的進程就是該進程的一個線程(即輕量級進程，Linux其實沒有嚴格的進程概念)，它們處於一個線程組，
該線程組的所有線程的ID叫做TGID。處於相同的線程組中的所有進程都有相同的TGID，但是由於他們是不同的進程，因此其pid各不相同;線程組組長(也叫主線程)的TGID與其PID相同;一個進程沒有使用線程，則其TGID與PID也相同。
PGID
另外，獨立的進程可以組成進程組(使用setpgrp系統調用)，進程組可以簡化向所有組內進程發送信號的操作
例如用管道連接的進程處在同一進程組內。進程組ID叫做PGID，進程組內的所有進程都有相同的PGID，等於該組組長的PID。
SID
幾個進程組可以合並成一個會話組(使用setsid系統調用)，可以用於終端程序設計。會話組中所有進程都有相同的SID,保存在task_struct的session成員中
PID命名空間
pid命名空間概述
命名空間是為操作系統層面的虛擬化機制提供支撐，目前實現的有六種不同的命名空間，分別為mount命名空間、UTS命名空間、IPC命名空間、用戶命名空間、PID命名空間、網絡命名空間。命名空間簡單來說提供的是對全局資源的一種抽象，將資源放到不同的容器中(不同的命名空間)，各容器彼此隔離。
關於命名空間的詳細信息，請參見
命名空間有的還有層次關系，如PID命名空間
在上圖有四個命名空間，一個父命名空間衍生了兩個子命名空間，其中的一個子命名空間又衍生了一個子命名空間。以PID命名空間為例，由於各個命名空間彼此隔離，所以每個命名空間都可以有 PID 號為 1 的進程;但又由於命名空間的層次性，父命名空間是知道子命名空間的存在，因此子命名空間要映射到父命名空間中去，因此上圖中 level 1 中兩個子命名空間的六個進程分別映射到其父命名空間的PID 號5~10。
局部ID和全局ID
命名空間增加了PID管理的復雜性。
回想一下，PID命名空間按層次組織。在建立一個新的命名空間時，該命名空間中的所有PID對父命名空間都是可見的，但子命名空間無法看到父命名空間的PID。但這意味著某些進程具有多個PID，凡可以看到該進程的命名空間，都會為其分配一個PID。 這必須反映在數據結構中。我們必須區分局部ID和全局ID
全局PID和TGID直接保存在task_struct中，分別是task_struct的pid和tgid成員：
全局ID 在內核本身和初始命名空間中唯一的ID，在系統啟動期間開始的 init 進程即屬於該初始命名空間。系統中每個進程都對應了該命名空間的一個PID，叫全局ID，保證在整個系統中唯一。
局部ID 對於屬於某個特定的命名空間，它在其命名空間內分配的ID為局部ID，該ID也可以出現在其他的命名空間中。
struct task_struct
{
//...
pid_t pid;
pid_t tgid;
//...
}
兩項都是pid_t類型，該類型定義為__kernel_pid_t，後者由各個體系結構分別定義。通常定義為int，即可以同時使用232個不同的ID。
會話session和進程group組ID不是直接包含在task_struct本身中，但保存在用於信號處理的結構中。
task_ struct->signal->__session表示全局SID，
而全局PGID則保存在task_struct->signal->__pgrp。
輔助函數set_task_session和set_task_pgrp可用於修改這些值。
除了這兩個字段之外，內核還需要找一個辦法來管理所有命名空間內部的局部量，以及其他ID(如TID和SID)。這需要幾個相互連接的數據結構，以及許多輔助函數，並將在下文討論。
下文我將使用ID指代提到的任何進程ID。在必要的情況下，我會明確地說明ID類型(例如，TGID，即線程組ID)。
一個小型的子系統稱之為PID分配器(pid allocator)用於加速新ID的分配。此外，內核需要提供輔助函數，以實現通過ID及其類型查找進程的task_struct的功能，以及將ID的內核表示形式和用戶空間可見的數值進行轉換的功能。
PID命名空間數據結構pid_namespace
在介紹表示ID本身所需的數據結構之前，我需要討論PID命名空間的表示方式。我們所需查看的代碼如下所示：
命名空間的結構如下
struct pid_namespace
{
struct kref kref;
struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];
int last_pid;
struct task_struct *child_reaper;
struct kmem_cache *pid_cachep;
unsigned int level;
struct pid_namespace *parent;
};
我們這裡只關心其中的child_reaper，level和parent這三個字段
字段描述
kref表示指向pid_namespace的個數
pidmappidmap結構體表示分配pid的位圖。當需要分配一個新的pid時只需查找位圖，找到bit為0的位置並置1，然後更新統計數據域(nr_free)
last_pid用於pidmap的分配。指向最後一個分配的pid的位置。(不是特別確定)
child_reaper指向的是當前命名空間的init進程，每個命名空間都有一個作用相當於全局init進程的進程
pid_cachep域指向分配pid的slab的地址。
level代表當前命名空間的等級，初始命名空間的level為0，它的子命名空間level為1，依次遞增，而且子命名空間對父命名空間是可見的。從給定的level設置，內核即可推斷進程會關聯到多少個ID。
parent指向父命名空間的指針
實際上PID分配器也需要依靠該結構的某些部分來連續生成唯一ID，但我們目前對此無需關注。我們上述代碼中給出的下列成員更感興趣。
每個PID命名空間都具有一個進程，其發揮的作用相當於全局的init進程。init的一個目的是對孤兒進程調用wait4，命名空間局部的init變體也必須完成該工作。
pid結構描述
pid與upid
PID的管理圍繞兩個數據結構展開：
struct pid是內核對PID的內部表示，
struct upid則表示特定的命名空間中可見的信息。
struct upid
{
/* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */
int nr;
struct pid_namespace *ns;
struct hlist_node pid_chain;
};
字段描述
nr表示ID具體的值
ns指向命名空間的指針
pid_chain指向PID哈希列表的指針，用於關聯對於的PID
所有的upid實例都保存在一個散列表中，稍後我們會看到該結構。
struct pid
{
atomic_t count;
/* 使用該pid的進程的列表， lists of tasks that use this pid */
struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
int level;
struct upid numbers[1];
};
字段描述
count是指使用該PID的task的數目;
level表示可以看到該PID的命名空間的數目，也就是包含該進程的命名空間的深度
tasks[PIDTYPE_MAX]是一個數組，每個數組項都是一個散列表頭,分別對應以下三種類型
numbers[1]一個upid的實例數組，每個數組項代表一個命名空間，用來表示一個PID可以屬於不同的命名空間，該元素放在末尾，可以向數組添加附加的項。
tasks是一個數組，每個數組項都是一個散列表頭，對應於一個ID類型,PIDTYPE_PID, PIDTYPE_PGID, PIDTYPE_SID( PIDTYPE_MAX表示ID類型的數目)這樣做是必要的，因為一個ID可能用於幾個進程。所有共享同一給定ID的task_struct實例，都通過該列表連接起來。
這個枚舉常量PIDTYPE_MAX，正好是pid_type類型的數目，這裡linux內核使用了一個小技巧來由編譯器來自動生成id類型的數目
此外，還有兩個結構我們需要說明，就是pidmap和pid_link
pidmap當需要分配一個新的pid時查找可使用pid的位圖，其定義如下
而pid_link則是pid的哈希表存儲結構
pidmap用於分配pid的位圖
struct pidmap
{
atomic_t nr_free;
void *page;
};
字段描述
nr_free表示還能分配的pid的數量
page指向的是存放pid的物理頁
pidmap[PIDMAP_ENTRIES]域表示該pid_namespace下pid已分配情況
pid_link哈希表存儲
pids[PIDTYPE_MAX]指向了和該task_struct相關的pid結構體。
pid_link的定義如下
struct pid_link
{
struct hlist_node node;
struct pid *pid;
};
task_struct中進程ID相關數據結構
task_struct中的描述符信息
struct task_struct
{
//...
pid_t pid;
pid_t tgid;
struct task_struct *group_leader;
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
struct nsproxy *nsproxy;
//...
};
字段描述
pid指該進程的進程描述符。在fork函數中對其進行賦值的
tgid指該進程的線程描述符。在linux內核中對線程並沒有做特殊的處理，還是由task_struct來管理。所以從內核的角度看， 用戶態的線程本質上還是一個進程。對於同一個進程(用戶態角度)中不同的線程其tgid是相同的，但是pid各不相同。 主線程即group_leader(主線程會創建其他所有的子線程)。如果是單線程進程(用戶態角度)，它的pid等於tgid。
group_leader除了在多線程的模式下指向主線程，還有一個用處， 當一些進程組成一個群組時(PIDTYPE_PGID)， 該域指向該群組的leader
nsproxy指針指向namespace相關的域，通過nsproxy域可以知道該task_struct屬於哪個pid_namespace
對於用戶態程序來說，調用getpid()函數其實返回的是tgid，因此線程組中的進程id應該是是一致的，但是他們pid不一致，這也是內核區分他們的標識
對於用戶態程序來說，調用getpid()函數其實返回的是tgid，因此線程組中的進程id應該是是一致的，但是他們pid不一致，這也是內核區分他們的標識
多個task_struct可以共用一個PID
一個PID可以屬於不同的命名空間
當需要分配一個新的pid時候，只需要查找pidmap位圖即可
那麼最終，linux下進程命名空間和進程的關系結構如下：
可以看到，多個task_struct指向一個PID，同時PID的hash數組裡安裝不同的類型對task進行散列，並且一個PID會屬於多個命名空間。
內核是如何設計task_struct中進程ID相關數據結構的
本部內容較多的采用了Linux 內核進程管理之進程ID
Linux 內核在設計管理ID的數據結構時，要充分考慮以下因素：
如何快速地根據進程的 task_struct、ID類型、命名空間找到局部ID
如何快速地根據局部ID、命名空間、ID類型找到對應進程的 task_struct
如何快速地給新進程在可見的命名空間內分配一個唯一的 PID
如果將所有因素考慮到一起，將會很復雜，下面將會由簡到繁設計該結構。
一個PID對應一個task時的task_struct設計
一個PID對應一個task_struct如果先不考慮進程之間的關系，不考慮命名空間，僅僅是一個PID號對應一個task_struct，那麼我們可以設計這樣的數據結構
struct task_struct
{
//...
struct pid_link pids;
//...
};
struct pid_link
{
struct hlist_node node;
struct pid *pid;
};
struct pid
{
struct hlist_head tasks; //指回 pid_link 的 node
int nr; //PID
struct hlist_node pid_chain; //pid hash 散列表結點
};
每個進程的 task_struct 結構體中有一個指向 pid 結構體的指針，pid結構體包含了PID號。
結構示意圖如圖
如何快速地根據局部ID、命名空間、ID類型找到對應進程的 task_struct
圖中還有兩個結構上面未提及：
pid_hash[]
這是一個hash表的結構，根據pid的nr值哈希到其某個表項，若有多個 pid 結構對應到同一個表項，這裡解決沖突使用的是散列表法。
這樣，就能解決開始提出的第2個問題了，根據PID值怎樣快速地找到task_struct結構體：
首先通過 PID 計算 pid 掛接到哈希表 pid_hash[] 的表項
遍歷該表項，找到 pid 結構體中 nr 值與 PID 值相同的那個 pid
再通過該 pid 結構體的 tasks 指針找到 node
最後根據內核的 container_of 機制就能找到 task_struct 結構體
如何快速地給新進程在可見的命名空間內分配一個唯一的 PID
pid_map
這是一個位圖，用來唯一分配PID值的結構，圖中灰色表示已經分配過的值，在新建一個進程時，只需在其中找到一個為分配過的值賦給 pid 結構體的 nr，再將pid_map 中該值設為已分配標志。這也就解決了上面的第3個問題——如何快速地分配一個全局的PID
如何快速地根據進程的 task_struct、ID類型、命名空間找到局部ID
至於上面的*第1個問題就更加簡單，已知 task_struct 結構體，根據其 pid_link 的 pid 指針找到 pid 結構體，取出其 nr 即為 PID 號。
帶進程ID類型的task_struct設計
如果考慮進程之間有復雜的關系，如線程組、進程組、會話組，這些組均有組ID，分別為 TGID、PGID、SID，所以原來的 task_struct 中pid_link 指向一個 pid 結構體需要增加幾項，用來指向到其組長的 pid 結構體，相應的 struct pid 原本只需要指回其 PID 所屬進程的task_struct，現在要增加幾項，用來鏈接那些以該 pid 為組長的所有進程組內進程。數據結構如下：
enum pid_type
{
PIDTYPE_PID,
PIDTYPE_PGID,
PIDTYPE_SID,
PIDTYPE_MAX
};
struct task_struct
{
//...
pid_t pid; //PID
pid_t tgid; //thread group id
//..
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
struct task_struct *group_leader; // threadgroup leader
//...
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
struct nsproxy *nsproxy;
};
struct pid_link
{
struct hlist_node node;
struct pid *pid;
};
struct pid
{
struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
int nr; //PID
struct hlist_node pid_chain; // pid hash 散列表結點
};
上面 ID 的類型 PIDTYPE_MAX 表示 ID 類型數目。之所以不包括線程組ID，是因為內核中已經有指向到線程組的 task_struct 指針 group_leader，線程組 ID 無非就是 group_leader 的PID。
假如現在有三個進程A、B、C為同一個進程組，進程組長為A，這樣的結構示意圖如圖
關於上圖有幾點需要說明：
圖中省去了 pid_hash 以及 pid_map 結構，因為第一種情況類似;
進程B和C的進程組組長為A，那麼 pids[PIDTYPE_PGID] 的 pid 指針指向進程A的 pid 結構體;
進程A是進程B和C的組長，進程A的 pid 結構體的 tasks[PIDTYPE_PGID] 是一個散列表的頭，它將所有以該pid 為組長的進程鏈接起來。
再次回顧本節的三個基本問題，在此結構上也很好去實現。
進一步增加進程PID命名空間的task_struct設計
若在第二種情形下再增加PID命名空間
一個進程就可能有多個PID值了，因為在每一個可見的命名空間內都會分配一個PID，這樣就需要改變 pid 的結構了，如下：
struct pid
{
unsigned int level;
/* lists of tasks that use this pid */
struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
struct upid numbers[1];
};
struct upid
{
int nr;
struct pid_namespace *ns;
struct hlist_node pid_chain;
};
在 pid 結構體中增加了一個表示該進程所處的命名空間的層次level，以及一個可擴展的 upid 結構體。對於struct upid，表示在該命名空間所分配的進程的ID，ns指向是該ID所屬的命名空間，pid_chain 表示在該命名空間的散列表。
舉例來說，在level 2 的某個命名空間上新建了一個進程，分配給它的 pid 為45，映射到 level 1 的命名空間，分配給它的 pid 為 134;再映射到 level 0 的命名空間，分配給它的 pid 為289，對於這樣的例子，如圖4所示為其表示：
圖中關於如果分配唯一的 PID 沒有畫出，但也是比較簡單，與前面兩種情形不同的是，這裡分配唯一的 PID 是有命名空間的容器的，在PID命名空間內必須唯一，但各個命名空間之間不需要唯一。
至此，已經與 Linux 內核中數據結構相差不多了。
進程ID管理函數
有了上面的復雜的數據結構，再加上散列表等數據結構的操作，就可以寫出我們前面所提到的三個問題的函數了：
獲得局部ID
根據進程的 task_struct、ID類型、命名空間，可以很容易獲得其在命名空間內的局部ID
獲得與task_struct 關聯的pid結構體。輔助函數有 task_pid、task_tgid、task_pgrp和task_session，分別用來獲取不同類型的ID的pid 實例，如獲取 PID 的實例：
static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
{
return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}
獲取線程組的ID，前面也說過，TGID不過是線程組組長的PID而已，所以：
static inline struct pid *task_tgid(struct task_struct *task)
{
return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}
而獲得PGID和SID，首先需要找到該線程組組長的task_struct，再獲得其相應的 pid：
static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)
{
return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PGID].pid;
}
static inline struct pid *task_session(struct task_struct *task)
{
return task->group_leader->pids[PIDTYPE_SID].pid;
}
獲得 pid 實例之後，再根據 pid 中的numbers 數組中 uid 信息，獲得局部PID。
pid_t pid_nr_ns(struct pid *pid, struct pid_namespace *ns)
{
struct upid *upid;
pid_t nr = 0;
if (pid && ns->level <= pid->level)
{
upid = &pid->numbers[ns->level];
if (upid->ns == ns)
nr = upid->nr;
}
return nr;
}
這裡值得注意的是，由於PID命名空間的層次性，父命名空間能看到子命名空間的內容，反之則不能，因此，函數中需要確保當前命名空間的level 小於等於產生局部PID的命名空間的level。
除了這個函數之外，內核還封裝了其他函數用來從 pid 實例獲得 PID 值，如 pid_nr、pid_vnr 等。在此不介紹了。
結合這兩步，內核提供了更進一步的封裝，提供以下函數：
pid_t task_pid_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
pid_t task_tgid_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
pid_t task_pigd_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
pid_t task_session_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
從函數名上就能推斷函數的功能，其實不外於封裝了上面的兩步。
查找進程task_struct
根據局部ID、以及命名空間，怎樣獲得進程的task_struct結構體呢?也是分兩步：
獲得 pid 實體。根據局部PID以及命名空間計算在 pid_hash 數組中的索引，然後遍歷散列表找到所要的 upid， 再根據內核的 container_of 機制找到 pid 實例。代碼如下：
struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
{
struct hlist_node *elem;
struct upid *pnr;
//遍歷散列表
hlist_for_each_entry_rcu(pnr, elem,
&pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain) //pid_hashfn() 獲得hash的索引
if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns) //比較 nr 與 ns 是否都相同
return container_of(pnr, struct pid, //根據container_of機制取得pid 實體
numbers[ns->level]);
return NULL;
}
根據ID類型取得task_struct 結構體
struct task_struct *pid_task(struct pid *pid, enum pid_type type)
{
struct task_struct *result = NULL;
if (pid) {
struct hlist_node *first;
first = rcu_dereference_check(hlist_first_rcu(&pid->tasks[type]),
lockdep_tasklist_lock_is_held());
if (first)
result = hlist_entry(first, struct task_struct, pids[(type)].node);
}
return result;
}
內核還提供其它函數用來實現上面兩步：
struct task_struct *find_task_by_pid_ns(pid_t nr, struct pid_namespace *ns);
struct task_struct *find_task_by_vpid(pid_t vnr);
struct task_struct *find_task_by_pid(pid_t vnr);
具體函數實現的功能也比較簡單。
生成唯一的PID
內核中使用下面兩個函數來實現分配和回收PID的：
static int alloc_pidmap(struct pid_namespace *pid_ns);
static void free_pidmap(struct upid *upid);
在這裡我們不關注這兩個函數的實現，反而應該關注分配的 PID 如何在多個命名空間中可見，這樣需要在每個命名空間生成一個局部ID，函數 alloc_pid 為新建的進程分配PID，簡化版如下：
struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
{
struct pid *pid;
enum pid_type type;
int i, nr;
struct pid_namespace *tmp;
struct upid *upid;
tmp = ns;
pid->level = ns->level;
// 初始化 pid->numbers[] 結構體
for (i = ns->level; i >= 0; i--)
{
nr = alloc_pidmap(tmp); //分配一個局部ID
pid->numbers[i].nr = nr;
pid->numbers[i].ns = tmp;
tmp = tmp->parent;
}
// 初始化 pid->task[] 結構體
for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);
// 將每個命名空間經過哈希之後加入到散列表中
upid = pid->numbers + ns->level;
for ( ; upid >= pid->numbers; --upid)
{
hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain, &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);
upid->ns->nr_hashed++;
}
return pid;
}
