进程—从进程描述符展开（一）

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进程内核栈结构：union task_union

在../include/linux/sched.h中定义了如下一个联合结构用来创建内核栈空间。

//../include/linux/sched.h

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

线程描述符：struct thread_info

每一个进程都有一个进程描述符task_struct，且有一个用来定位它的结构thread_info，thread_info位于其进程内核栈中(有些实现没有用到thread_info，而是使用一个寄存器来记录进程描述符的地址)，操作系统使用这个结构中的task指针字段找到进程的进程描述符，从而得到执行一个进程所需的全部信息。

//../arch/xtensa/include/asm

struct thread_info {

struct task_struct          *task; //指向当前进程内核栈对应的进程的进程描述符

struct exec_domain          *exec_domain;
__u32                       flags;
__u32                       status;
__u32                       cpu;
int                         preempt_count;
mm_segment_t                addr_limit;
struct restart_block        restart_block;
void                        *sysenter_return;
int                         uaccess_err;

};

内核使用alloc_thread_info 和free_thread_info宏分配和释放存储thread_info结构和内核栈的内存区。使用current_thread_info()函数获取当前操作的进程的thread_info 。为了获得当前在CPU上运行的进程的进程描述符指针，内核要调用current宏，该宏本质上等价于current_thread_info()->task。详见【深入理解Linux内核】中文第三版91页。

进程描述符：task_struct

从内核观点看，进程的目的就是担当分配系统资源(CPU 时间、内存等)的实体。为此目的，操作系统为每个进程维持着一个进程描述符。

task_struct 示意图：

源代码

在../include/linux/sched.h中定义了task_struct，其中包含了一个进程所需的全部信息。其结构体实例在内存中的大小一般在1KB以上。

//../include/linux/sched.h
//---------------------------------------------------进程描述符结构定义---------------------------------------------------

struct task_struct
{
//---------------------------------------------------------进程状态------------------------------------------------------------ 
  long                  state;           //任务的运行状态


//---------------------------------------------------------进程标识信息--------------------------------------------------------- 
  pid_t                 pid;  //进程ID
  pid_t                 pgrp; //进程组标识,表示进程所属的进程组，等于进程组的领头进程的pid
  pid_t                 tgid;  //进程所在线程组的ID，等于线程组的领头线程的pid，getpid()系统调用返回tgid值。 
  pid_t                 session; //进程的登录会话标识，等于登录会话领头进程的pid。 
  struct pid            pids[PIDTYPE_MAX]; //PIDTYPE_MAX=4，一共4个hash表。
  char                  comm[TASK_COMM_LEN];  //记录进程的名字，即进程正在运行的可执行文件名 
  int                   leader; //标志,表示进程是否为会话主管(会话领头进程)。



//-------------------------------------------------------进程调度相关信息-------------------------------------------------------
  long                          nice;//进程的初始优先级，范围[-20,+19]，默认0，nice值越大优先级越低，分配的时间片
  //可能最少。
  int                           static_prio;//静态优先级，从一开始由用户指定后，就不能改变。
  int                           prio;//存放调度程序要用到的动态优先级，通过一个关于静态优先级和进程交互性的函数关系计
  //算而来。effective_prio()函数可以返回一个进程的动态优先级。这个函数以nice值为基数，再加上-5到+5之间的进程交互性的奖
  //励或惩罚到nice值上。
  unsigned long                 sleep_avg;//这个字段的值用来支持调度程序对进程的类型(I/O消耗型 or CPU消耗型)进行
  //判断，值越大表示睡眠的时候更多，更趋向于I/O消耗型，反之，更趋向于CPU消耗型。
  unsigned long                 sleep_time;//进程的睡眠时间
  long                          counter;//进程可运行的时间量。在轮转法调度时counter表示当前进程还可运行多久。在进程
  //开始时被赋为priority的值, 以后每隔一个时钟中断递减1,减到0时引起新一轮调度。   
  unsigned int                  time_slice;//进程剩余时间片，当一个任务的时间片用完之后，要根据任务的静态优先级
  //static_prio重新计算时间片。task_timeslice()为给定的任务返回一个新的时间片。对于交互性强的进程，时间片用完之后，它
  //会被再放到活动数组而不是过期数组，该逻辑在scheduler_tick()中实现。
  unsigned int                  rt_priority;//实时优先级，值是可配置的，默认情况下范围[0,99]

#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS)||define(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)  
  unsigned int                  policy;//表示该进程的进程调度策略。调度策略有:
//SCH ED_OTHER 0, 非实时进程, 用基于优先权的轮转法。
//SCH ED_FIFO 1, 实时进程, 用先进先出算法。
//SCH ED_RR 2, 实时进程, 用基于优先权的轮转法
#endif
  struct list_head              tasks;//任务队列，通过这个寄宿于PCB(task_struct)中的字段构成的双向循环链表将宿主
  //PCB链接起来。
  struct list_head              run_list;//该进程所在的运行队列。这个队列有一个与之对应的优先级k，所有位于这个队列中
  //的进程的优先级都是k，这些k优先级进程之间使用轮转法进行调度。k的取值是0~139。这个位于宿主PCB中的struct list_head类
  //型的run_list字段将构成一个优先级为k的双向循环链表，像一条细细的绳子一样，将所有优先级为k的处于可运行状态的进程的
  //PCB(task_struct)链接起来。
  prio_array_t                  *array; //typedef struct prio_array prio_array_t; 可以说，这个指针包含了操作
  //系统现有的所有按PCB的优先级进行整理了的PCB的信息。 


//---------------------------------------------------------进程链接信息---------------------------------------------------------
  struct task_struct            *real_parent;//指向创建了该进程的进程的进程描述符，如果父进程不再存在，就指向进程
  //1(init)的进程描述符。
  struct task_struct            *parent;//recipient of SIGCHLD, wait4() reports.　parent是该进程现在的父进程，
  //有可能是“继父”
  struct list_head              children;//list of my children.  children指的是该进程孩子的链表，使用
  //list_for_each和list_entry，可以得到所有孩子的进程描述符。  
  struct lsit_head              sibling;//linkage in my parent‘s children list.
//sibling为该进程的兄弟的链表，也就是其父亲的所有孩子的链表。用法与children相似。  
  struct task_struct            *group_leader;//threadgroup leader，主线程描述符
  struct list_head              thread_group;  //线程组链表，也就是该进程所有线程的链表。

//----------------------------------------------------------......------------------------------------------------------------

};

参考
进程描述符结构定义的部分注释
反斜杠作用“\”
Linux3.0.6内核task_struct注释
do {…} while (0) 在宏定义中的作用

进程状态：state

state字段的值通常用一个简单的赋值语句设置。例如：p->state = TASK_RUNNING;，内核也使用 set_task_state 和 set_current_state 宏，分别设置指定进程的状态和当前执行进程的状态。

//../include/linux/sched.h

#define set_task_state(tsk, state_value)        \
    set_mb((tsk)->state, (state_value))

#define set_current_state(state_value)      \
    set_mb(current->state, (state_value))

set_mb函数确保编译程序或CPU 控制单元不把赋值操作与其他指令混合。混合指令的顺序有时会导致灾难性的后果。

优先级数组：struct prio_array

//../kernel/sched.c

struct prio_array{ 

  int                   nr_active;//各个优先级任务的总数目  
  unsigned long         bitmap[BITMAP_SIZE];//优先级位图  
  struct list_head      queue[MAX_PRIO];//优先级队列 

}

MAX_PRIO定义了系统拥有的优先级个数，默认值是140，每个优先级都有一个list_head结构体队列。

BITMAP_SIZE是优先级位图数组的大小，每一位代表一个优先级，140个优先级需要5个长整型才能表示，所以bitmap含有5个数组项，共160位(unsigned long 是32位)。当某个拥有一定优先级的进程开始准备执行时(state为TASK_RUNNING)，位图中的相应位就会被置1。查找系统中最高的优先级就变成了查找位图中被设置的第一个位。因为优先级个数是个定值，所以查找时间恒定，并不受系统到底有多少可执行进程的影响sched_find_first_bit()函数实现了对位图的快速查找算法。

优先级数组中包含一个struct list_head队列，队列一共有MAX_PRIO个struct list_head链表，每个链表与一个给定的优先级相对应，事实上，每个链表都包含该处理器队列上相应优先级的全部可运行进程。对于给定的优先级，按轮转方式调度任务。

为什么要使用带头结点的循环链表：

这是一个在设计系统的数据结构时需要考虑的问题，例如，如果使用不带头结点的循环链表的实现，prio_array的queue字段内的元素就可以用struct list_head*的头指针来代替原来的struct list_head的头结点，这样queue就是一个struct list_head*的数组，因为struct list_head结构体有两个指针字段，所以这种实现可以节省一半的空间，可是，如果没有头结点，后续对循环链表的操作(插入、删除)将存在不一致性，每次操作还得考虑是不是涉及到了头指针的变化。

实例图：

添加到非头指针指向结点之前：

添加到头指针指向结点之前：

这两种添加的操作是不相同的。采用带有头结点的循环链表的实现就不会出现这种不一致性的问题，减少了在每一次操作前的判断步骤，如果对链表的操作十分频繁，就能提高一些性能。

可执行队列结构：struct runqueue

可执行队列是给定处理器上的可执行进程的链表，每个处理器一个。每个可投入运行的进程都唯一的归属于一个可执行队列。这里面还包含每个处理器的调度信息。

//../kernel/sched.c 
//---------------------------------可执行队列结构定义---------------------------------

struct runqueue {

   spinlock_t               lock;  //保护运行队列的自旋锁，自旋锁用于防止多个任务同时对可执行队列进行操作。
   unsigned long            nr_uninterruptible;//处于不可中断睡眠状态的任务数目
   struct task_struct       *curr;//CPU当前运行的任务指针
   struct prio_array        *active;//活动优先级数组
   struct prio_array        *expired;//超时(过期)优先级数组 

};

有一组宏定义用于获取与给定处理器或进程相关的可执行队列。cpu_rq(processor)用于返回给定处理器可执行队列的指针。this_rq()宏用来返回当前处理器的可执行队列。最后，宏task_rq(task)返回给定任务所在的队列指针。在对可执行队列进行操作之前，先锁住它。需要用到task_rq_lock()和task_rp_unlock()函数：

//例1
struct runqueue *rq;
unsigned long flags;

//上锁
rq = task_rq_lock(task, &flags);

//对rq的操作代码...

//开锁
task_rq_unlock(rq, &flags);

//例2
struct runqueue *rq1;

//上锁
rq1 = this_rq_lock();

//操作代码...

rq_unlock(rq1);

可执行队列结构中，活动数组内的可执行队列上的进程都还有时间片剩余，而过期数组内的可执行队列上的进程都耗尽了时间片。当一个进程的时间片艳尽时，它会被移至过期数组，但在此之前，已经给它重新计算好了新的时间片。当活动数组为空的时候，交换活动数组和过期数组的指针值，这样就完成了时间片的重分配过程。因为数组是通过指针进行访问的，所以交换它们用的时间就是交换指针需要的时间。这个动作由schedule()完成：

struct prio_array *array = rq->active;
if(!array->nr_active){
  rq->active = rq->expired;
  rq->expired = array;
}

这种交换时实现O(1)级调度程序的核心。

返回宿主：list_entry

作用：使用list_entry()宏，返回linux链表中链表结点的宿主。

原理为指针ptr指向结构体type中的成员member；通过指针ptr，返回结构体type的基地址。

//../include/linux/list.h 

/* list_entry - get the struct for this entry
* @ptr: the &struct list_head pointer.
* @type: the type of the struct this is embedded in.
* @member: the name of the list_struct within the struct.*/
#define list_entry(ptr, type, member)  \
((type *)((char *)(ptr) - (unsigned long)(&((type *)0)->member)))

解释：
1.&((type *)0)->member：
把0强制转化为指针类型，即0是一个地址，为段基址。取以0为结构体基址的结构体的域变量member的地址，那么这个地址就等于member域到结构体基地址的偏移字节数。
2.((unsigned long) &((type *)0)->member)：
把0地址转化为type结构的指针，然后获取该结构中member成员的指针，并将其强制转换为unsigned long类型，得到member域到type基地址的偏移字节数。
3.((type *)((char *)(ptr) - (unsigned long)(&((type *)0)->member)))：
ptr是指向类型为type的结构体实例中的成员member的指针，(char*)(ptr)将指针ptr的按char* 来解释，使得对ptr的加减操作都是按字节移动，减去该member在结构体中的字节偏移量，即得到这个type结构体的实例的起始地址。

next = list_entry(queue->next, struct task_struct, run_list)经过预处理器的解释就变成了((struct task_struct *)((char *)(queue->next) - (unsigned long)(&((struct task_struct *)0)->run_list))) 这行代码的作用是：计算 queue->next 所在的struct task_struct容器的起始地址。

为了帮助理解，设有如下结构体定义：
typedef struct xxx
{
……（结构体中其他域）
type1 member;
……（结构体中其他域）
}type;
定义变量：
type a;
type * b;
type1 * ptr;
执行：
ptr=&(a.member);
b=list_entry(ptr,type,member);
则可使b指向a，得到了a的地址。

//因为这种结构比较常见，所以在../include/kernel.h中专门定义了一个container_of宏。
#define list_entry(ptr, type, member) \
    container_of(ptr, type, member)

//../include/kernel.h

#define container_of(ptr, type, member) ({          \
        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);            (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
//ptr有一个地址值，指向一个type类型实例的member成员变量，通过ptr的地址值减去偏移offsetof(type,member)，
//可以得到这个type实例的基地址，然后强制转换指针类型。

//../include/linux/stddef.h

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
//type的基地址 和 member成员 的相对地址空间距离

循环锁链：struct list_head

struct list_head{
   struct list_head         *next, *prev;
}

这里链表初看起来比较奇怪，但是联系到上面提到的list_entry(ptr, type, member) 宏，才发现这个结构的精妙之处，它就像一条细细的链条，不包含任何冗余的东西，完全只是用来将包含它的容器(宿主)和其他的宿主容器链接起来。包含struct list_head结构的容器叫做宿主。task_struct就是一个宿主。

以后就可以这么理解：所有对list_head结构的操作都“等同于”对宿主的操作。可以把所有类似这种结构的结构体的双向队列抽象成一条锁链环。对于环上的结点的宿主，用宏定义：list_entry(ptr, type, member)获取。

示意图：

为什么要内嵌一个list_head结构：通用性。
也可以说这是c向面向对象做出的一个努力，在大系统设计中，可能需要管理各种类型的数据结构的队列，如果不用这种内嵌的方式，就得为每一个不同的数据结构都写一个链表类的操作函数的集合，而使用这种结构，就将链表作为一个接口抽象出来了。

对这个链表的操作函数和宏参见【深入理解Linux内核】中文第3版93页。源代码参见../include/linux /list.h

添加

list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) ：

将指针new指向的结点插入到指针head所指向的结点的后面。这就间接地把new的宿主添加到了head的宿主所在的双向循环链表之中。

//../include/linux/list.h

static inline void __list_add(struct list_head *new,
                              struct list_head *prev,
                              struct list_head *next)
{
    next->prev = new;
    new->next = next;
    new->prev = prev;
    prev->next = new;
}

static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head, head->next);
}

示意图：

list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)将new插入到head结点之前

//../include/linux/list.h

static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head->prev, head);
}

示意图：(注意，图中head和tail结点之间的指针标注有误，正好将next和prev给弄反了)

遍历

list_for_each(pos, head)用pos对表头地址head指定的链表进行遍历，其实在经过预处理器翻译后，它就成了一个不带循环体的for循环，使用这个宏的时候，需要给它加上循环体。

//../include/linux/list.h

#define list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head);             pos = pos->next)

//这种宏是不是让人联想到了STL中迭代器的性质。
//给了迭代过程，剩下的操作语句(或操作函数)自己写。

小插曲：用prefetch(address)提高内存访问速度
参考 数据预取 __builtin_prefetch()

prefetch(address)的定义在../include/linux/prefetch.h中，其功能是对地址address的数据的预先读取，prefetch的一个单元常常是一个cacheline的大小。当你需要继续读取地址address的数据的时候，可以采用prefetch将这一块数据读取到cache之中，以便快速访问。

list_for_each(pos, head)

使用举例：

struct task_struct *task;

struct list_head *list;

list_for_each(list,&current->chilidren)//循环条件 
{//加上循环体

    //利用list进行一些操作  
     task = list_entry(list, struct task_struct, sibling);/*task指向当前的某个子进程*/

}

判空

list_empty(const struct list_head *head)判断链表是否为空

//../include/linux/list.h 

static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}

还有几个函数就懒得写了…

进程描述符链表

进程链表把所有进程的进程描述符链表链接起来，一种方式是利用寄宿于每个task_struct结构中的list_head类型的tasks字段组成的双向循环链表将所有的进程的进程描述符(宿主)链接起来。

进程链表的表头是init_task描述符，它是所谓的0进程(process 0)的进程描述符(进程0的描述符init_task定义在arch/arm/kernel/init_task.c中，由INT_TASK宏初始化)，是所有其他进程的祖先，也称作idle进程或swapper进程，是在系统初始化时由kernel自身从无到有创建。

如图：

for_each_process(p) 用p来遍历整个进程链表。

//../include/linux/sched.h

#define next_task(p) \
    list_entry_rcu((p)->tasks.next, struct task_struct, tasks)

//利用list_head链表进行PCB的遍历
#define for_each_process(p)     for (p = &init_task ; (p = next_task(p)) != &init_task ; )

TASK_RUNNING状态的进程链表

当内核要调度一个进程投入CPU上运行时，只会从处于可运行状态的进程中选择优先级最高的一个。

为了提高调度程序运行速度，建立了多个可运行进程链表，每种进程优先权对应一个不同的链表。这是一个以空间代价换取时间的典型做法，在早期的Linux版本中，内核只维护一个可运行进程链表，在内存十分紧张的情况下，这种做法是可取的。(为什么对进程的PCB的组织用队列这种结构实现而不用树来实现呢，考虑用堆实现的优先队列的树结构，在调度的时候能实现O(1)的操作，但是要维护这样的结构，例如删除一个PCB，增加一个PCB就需要O(logN)的操作，这样的开销是比较大的。现在反倒成了队列能够提高操作的效率，这有点让人不敢相信，当然，如果只用一个毫无组织的队列，这是提高不了操作效率的，因为每种算法都得是O(n)级的，例如在调度时，调得度算法得在整个队列中寻找优先级最大的PCB。后面会看到，对PCB精心组织成队列后，算法的复杂度能降到O(1)。)

task_struct描述符中的run_list字段将所有优先级一样的处于可运行状态的进程的PCB链接了起来，这样，当知道链表中的任意一个list_head结点时，就可以遍历这个链表。

内核为管理可运行队列，专门定义了一个运行队列结构runqueue，runqueue中有类型为prio_array的数据结构指针，专门用来组织各个优先级对应的PCB链表。

enqueue_task(p,array)函数把进程描述符p插入到对应优先级为p->prio的运行队列中。

//../kernel/sched.c

其代码本质上等同于：

list_add_tail(&p->run_list, &array->queue[p->prio]);
_set_bit(p->prio,array->bitmap);
array->nr_active++;
p->array = array;

类似的dequeue_task(p,array)函数从运行队列中删除一个进程的描述符。

4个哈希表

有些情况需要从PID得到相应的进程描述符指针，比如kill()系统调用。由于顺序扫描进程链表并检查进程描述符的pid字段是比较低效的，因此引入了4种类型的哈希表分别对应进程描述符中的4种ID：

//../include/linux/pid.h

enum pid_type
{
    PIDTYPE_PID,  //对应进程的PID
    PIDTYPE_TGID, //对应线程组领头进程的PID
    PIDTYPE_PGID,  //对应进程组领头进程的PID
    PIDTYPE_SID   //对应会话领头进程的PID
};

内核定义了4个全局的hash表，分别对应pid_type中的4种类型：
static struct hlist_head *pid_hash[PIDTYPE_MAX]; //../kernel/pid.c
这4个hash表由内核在初始化的时候动态地分配空间。

hash桶的结点的数据结构

//../include/linux/list.h

//hash桶的头结点
struct hlist_head {
    struct hlist_node *first;//指向每一个hash桶的第一个结点的指针
};

//hash桶的普通结点
struct hlist_node {
    struct hlist_node *next;//指向下一个结点的指针
    struct hlist_node **pprev;//指向上一个结点的next指针的地址，下面会解释为什么要用一个二级指针。
};

这些点的宿主是进程的PCB，所以对这些点的操作等价于对PCB的操作，找到了这些点，也就找到了宿主。所以接下来的任务就是将这些点散列到对应的桶。

示意图：

pid结构

//../include/linux/pid.h

struct pid
{
    /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_pid */
    int nr;//xid值，用来计算散列值，找到散列入口。

    struct hlist_node pid_chain;//对于同一类型的ID，如果其值不相同，而又有同样的散列值，这时
    //就出现了散列冲突，需要维持一个开放的链表，又名开散列。

    /* list of pids with the same nr, only one of them is in the hash */
    struct list_head pid_list;//对于属于同一个进程组的进程，或属于同一个线程组的进程，它们的组
    //ID是一样的，所以尽管PID不同，它们在对组ID进行计算时得到的散列值是一样的，这时需要为这些进程
    //维持一个双向链表。注意，链表中只把`代表PCB`看做被散列的PCB，其他的PCB被当作未散列的PCB。
    //(这里说的散列是相对于pid_type的散列)。例如，在用(id,pid_type)查找id对应的PCB时，会返回`代表PCB`,
    //一旦有了这个代表PCB，就可以通过它的pid.pid_list字段对同组进程遍历。


  //pid_chain和pid_list的差别在：
  //pid_chain是散列冲突链表。也就是说nr不同，散列结果相同。
  //pid_list是同组进程链表。它们的nr相同，散列结果自然相同，但这并不是散列冲突。
};

图示：pid类型相同，nr值不同，但hash(nr)值相同，就用pid_chain开散列，pid类型相同，nr相同，例如，属于同一组的进程，用pid_list链接成一个双向链表。

其实从全局的角度看，每一个进程都有4个pid结构，每一个pid结构有一个nr值(一个leader进程，它的进程描述符中的4个pid结构中的nr字段值存在相等的情况)，这样就存在一个映射$(xid, nr) \rightarrow (xid,hash(nr))$，正是因为一个PCB有4个pid结构，所以每一个PCB都有4个映射。所以找一个进程的进程描述符，可以用不同的映射方式。例如，假设一个进程P，它的进程描述符中的4个pid结构的nr字段的值分别为nrpid，nrtpid，nrppid，nrsid，那么通过映射$(pid, nrpid) \rightarrow (pid ,hash(nrpid))$ 或者$(tpid, nrtpid) \rightarrow (tpid ,hash(nrtpid))$…去找进程的描述符，得到的是同一个进程描述符。

为什么要用一个二级指针pprev：

散列数组中存放的是hlist_head结构体的指针。hlist_head结构体只有一个域，即first。 first指针指向一个hlist_node的双向链表中的一个结点(因为是双向链表，所以不用考虑谁是第一的问题)。
hlist_node结构体有两个域，next 和pprev。 next指针指向下个hlist_node结点，倘若该节点是链表的最后一个节点，next指向NULL。
pprev是一个二级指针， 它指向前一个节点的next指针的地址。显然，如果hlist_node采用传统的next,prev指针(一级指针)，对于第一个节点和后面其他节点的处理会不一致。hlist_node巧妙地用pprev指向上一个节点的next指针的地址，由于hlist_head的first域和hlist_node的next域的类型都是hlist_node *，这样就解决了通用性问题！之于为什么不全部用hlist_node而非要定义一个专门的只含有一个hlist_node * 域的hlist_head结构体，答案当然是节省内存，而且还不失通用与优雅性。

Linux链表设计者认为双头（next、prev）的双链表对于HASH表来说”过于浪费”，因而另行设计了一套用于HASH表应用的hlist数据结构–单指针表头双循环链表，hlist的表头仅有一个指向首节点的指针，而没有指向尾节点的指针，这样在HASH表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。

参考标准C的标记化结构初始化语法

//hlist中常用的几个宏：

//在对hlist_head结点的初始化中会用到。
#define HLIST_HEAD_INIT { .first = NULL }
#define HLIST_HEAD(name) struct hlist_head name = { .first = NULL }
#define INIT_HLIST_HEAD(ptr) ((ptr)->first = NULL)
//在对hlist_node的初始化中会用到。
#define INIT_HLIST_NODE(ptr) ((ptr)->next = NULL, (ptr)->pprev = NULL)

#define hlist_entry(ptr, type, member) container_of(ptr,type,member)//返回ptr的宿主


//从head开始遍历
#define hlist_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->first; pos && ({ prefetch(pos->next); 1; }); \
         pos = pos->next)

//从head开始遍历宿主
#define hlist_for_each_entry(tpos, pos, head, member)            \
    for (pos = (head)->first;                    \
         pos && ({ prefetch(pos->next); 1;}) &&          \
        ({ tpos = hlist_entry(pos, typeof(*tpos), member); 1;}); \
         pos = pos->next)

操作散列链表的相关函数：

hlist_del(struct hlist_node *n)

//../include/linux/list.h

#define LIST_POISON1  ((void *) 0x00100100)
#define LIST_POISON2  ((void *) 0x00200200)

//对链表上所有hlist_node结点的删除一视同仁。
static inline void __hlist_del(struct hlist_node *n)
{
    struct hlist_node *next = n->next;
    struct hlist_node **pprev = n->pprev;
    *pprev = next;
    if (next)
        next->pprev = pprev;
}

static inline void hlist_del(struct hlist_node *n)
{
    __hlist_del(n);
  //指针指向了LIST_POSION，表示不可使用的地方
    n->next = LIST_POISON1;
    n->pprev = LIST_POISON2;
}

hlist_add_x(struct hlist_node *n, struct hlist_node *next)

//../include/linux/list.h

/* next must be != NULL */
static inline void hlist_add_before(struct hlist_node *n,
                    struct hlist_node *next)
{
  //n是待插入结点

  //先调整插入结点n的指向。
    n->pprev = next->pprev;
    n->next = next;
  //调整n结点后面结点的指向
    next->pprev = &n->next;
  //调整n结点前面的结点的指向
    *(n->pprev) = n;
}

static inline void hlist_add_head(struct hlist_node *n, struct hlist_head *h)
{
  //n是待插入结点

    struct hlist_node *first = h->first;
    n->next = first;
    if (first)
        first->pprev = &n->next;
    h->first = n;
    n->pprev = &h->first;

  /*其实这里完全可以用hlist_add_before内联函数实现，反正都写好了，还是
  内联的，不会影响效率：
        if(h->first)
        hlist_add_before(n, h->first);
        else
        {
            n->next = first;
            h->first = n;
            n->pprev = &h->first;
        }
  这样写应该是没有问题的，但是代码量没有减少，效率也没有提高。    
  */
}

static inline void hlist_add_after(struct hlist_node *n,
                    struct hlist_node *next)
{
  //next是待插入结点

    next->next = n->next;
    n->next = next;
    next->pprev = &n->next;

    if(next->next)
        next->next->pprev  = &next->next;
}

根据pid找PCB：find_pid&pid_task

求索引

用pid_hashfn宏可以把pid转化为表索引：
#define pid_hashfn(pid) hash_long((unsigned long)pid, pidhash_shift)

//../kernel/pid.c

#define pid_hashfn(nr) hash_long((unsigned long)nr, pidhash_shift)

//../include/linux/hash.h

//计算val的hash值，其中bits是保留的高位的位数，也就是索引长度。0~2^bits-1, 在32位cpu中，bits=11，散列表的长度为2^11 = 2048
static inline unsigned long hash_long(unsigned long val, unsigned int bits)
{
    unsigned long hash = val;

#if BITS_PER_LONG == 64
    /*  Sigh, gcc can‘t optimise this alone like it does for 32 bits. */
    unsigned long n = hash;
    n <<= 18;
    hash -= n;
    n <<= 33;
    hash -= n;
    n <<= 3;
    hash += n;
    n <<= 3;
    hash -= n;
    n <<= 4;
    hash += n;
    n <<= 2;
    hash += n;
#else
    /* On some cpus multiply is faster, on others gcc will do shifts */
    hash *= GOLDEN_RATIO_PRIME;
#endif

    /* High bits are more random, so use them. */
    return hash >> (BITS_PER_LONG - bits);
}

为了防止出现哈希运算带来的冲突，Linux采用拉链法来解决，即引入具有链表的哈希表来处理。

find_pid

find_pid(enum pid_type type, int nr)

在存放type类型PID的散列表(pid_chain)中找XPID值为nr的pid结构，并返回。

//../kernel/pid.c

struct pid * fastcall find_pid(enum pid_type type, int nr)
{
    struct hlist_node *elem;
    struct pid *pid;

    //其中elem 和 &pid_hash[type][pid_hashfn(nr)]用来遍历链表
    //pid 和 pid_chain 用来计算成员pid_chain的相对偏移。
    hlist_for_each_entry(pid, elem,
            &pid_hash[type][pid_hashfn(nr)], pid_chain) {
        if (pid->nr == nr)
            return pid;
    }
    return NULL;
}

pid_task

pid_task(elem, type)

返回pid_list链表第一个结点的宿主。

//../include/linux/pid.h

//elem是pid_list*类型的。
//这个宏用elem的地址值和它在PCB中的字段pids[type].pid_list与PCB的基地址的相对偏移相减得到PCB的基地址。
#define pid_task(elem, type) \
    list_entry(elem, struct task_struct, pids[type].pid_list)

---

find_task_by_pid_type(int type, int nr)

//../kernel/pid.c

//type为链表类型，task为进程描述符。
task_t *find_task_by_pid_type(int type, int nr)
{
    struct pid *pid;

    pid = find_pid(type, nr);
    if (!pid)
        return NULL;

  //在pid_list链表中选择第一个PCB
    return pid_task(&pid->pid_list, type);
}

hlist_unhashed(const struct hlist_node *h)

static inline int hlist_unhashed(const struct hlist_node *h)
 {
         return !h->pprev;
 }

 //用来判断h是否已被散列。

define do_each_task_pid(who, type, task)
while_each_task_pid(who, type, task)

遍历pid_list链表。从后面的attach_pid(task,type,nr)函数可以看到，pid_list链表中只有一个代表PCB被散列了，组内的其它进程都未被散列。

//../include/linux/pid.h

//一个do-while循环，使用时需要两个宏结合起来，其间加上操作。
/*

do_each_task_pid(who, type, task)
//对task的操作...
while_each_task_pid(who, type, task)

*/
#define do_each_task_pid(who, type, task)               \
    if ((task = find_task_by_pid_type(type, who))) {        \
        prefetch((task)->pids[type].pid_list.next);     \
        do {

#define while_each_task_pid(who, type, task)                \
        } while (task = pid_task((task)->pids[type].pid_list.next,\
                        type),          \
            prefetch((task)->pids[type].pid_list.next), \
            hlist_unhashed(&(task)->pids[type].pid_chain)); \
    }

//循环条件是遍历到的PCB还未被散列。

attach_pid

attach_pid(task,type,nr)

将一个PCB按类型type散列。

//../include/sched.h
//typedef struct task_struct task_t;

//../kernel/pid.c


//其中nr为PID，type为链表类型，task为进程描述符。
int fastcall attach_pid(task_t *task, enum pid_type type, int nr)
{
    struct pid *pid, *task_pid;

    task_pid = &task->pids[type];
    pid = find_pid(type, nr);
    if (pid == NULL) {
    //散列表中没有，加入到对应的pid_chain中
        hlist_add_head(&task_pid->pid_chain,
                &pid_hash[type][pid_hashfn(nr)]);
    //初始化pid_list字段
        INIT_LIST_HEAD(&task_pid->pid_list);
    } else {//散列表中已存在PCB所在的组中的一个进程
     //初始化pid_chain字段
        INIT_HLIST_NODE(&task_pid->pid_chain);
    //将PCB加入到同组PCB链表中
        list_add_tail(&task_pid->pid_list, &pid->pid_list);
    }
    task_pid->nr = nr;

    return 0;
}

在type类型的散列表中插入一个task指向的PID等于nr的进程描述符。如果一个PID等于nr的进程描述符已经在散列表中，这个函数就只把task插入已有的PID进程链表中(pid_list)。

第一部分完结示例

下面的代码用来选择当前最高优先级的进程

 struct task_struct         *prev, *next;
 struct list_head           *queue;
 struct prio_array          *array;
 int  idx;

 prev = current;
 array = rq->active;
 idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);
 queue = array->queue +idx;
 next = list_entry(queue->next, struct task_struct, run_list);
//run_list在task_struct结构体中定义，运行队列就是由这个字段组织起来的，其类型为
//struct list_head。