13 进程数据结构（中）：项目多了就需要项目管理系统

上一节我们讲了，task_struct这个结构非常长。由此我们可以看出，Linux内核的任务管理是非常复杂的。上一节，我们只是讲了一部分，今天我们接着来解析剩下的部分。

运行统计信息

作为项目经理，你肯定需要了解项目的运行情况。例如，有的员工很长时间都在做一个任务，这个时候你就需要特别关注一下；再如，有的员工的琐碎任务太多，这会大大影响他的工作效率。

那如何才能知道这些员工的工作情况呢？在进程的运行过程中，会有一些统计量，具体你可以看下面的列表。这里面有进程在用户态和内核态消耗的时间、上下文切换的次数等等。

u64             utime;//用户态消耗的CPU时间
u64             stime;//内核态消耗的CPU时间
unsigned long           nvcsw;//自愿(voluntary)上下文切换计数
unsigned long           nivcsw;//非自愿(involuntary)上下文切换计数
u64             start_time;//进程启动时间，不包含睡眠时间
u64             real_start_time;//进程启动时间，包含睡眠时间

进程亲缘关系

从我们之前讲的创建进程的过程，可以看出，任何一个进程都有父进程。所以，整个进程其实就是一棵进程树。而拥有同一父进程的所有进程都具有兄弟关系。

struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
struct list_head children;      /* list of my children */
struct list_head sibling;       /* linkage in my parent's children list */

parent指向其父进程。当它终止时，必须向它的父进程发送信号。
children表示链表的头部。链表中的所有元素都是它的子进程。
sibling用于把当前进程插入到兄弟链表中。

通常情况下，real_parent和parent是一样的，但是也会有另外的情况存在。例如，bash创建一个进程，那进程的parent和real_parent就都是bash。如果在bash上使用GDB来debug一个进程，这个时候GDB是parent，bash是这个进程的real_parent。

进程权限

了解了运行统计信息，接下来，我们需要关注一下项目组权限的控制。什么是项目组权限控制呢？这么说吧，我这个项目组能否访问某个文件，能否访问其他的项目组，以及我这个项目组能否被其他项目组访问等等，这都是项目组权限的控制范畴。

在Linux里面，对于进程权限的定义如下：

/* Objective and real subjective task credentials (COW): */
const struct cred __rcu         *real_cred;
/* Effective (overridable) subjective task credentials (COW): */
const struct cred __rcu         *cred;

这个结构的注释里，有两个名词比较拗口，Objective和Subjective。事实上，所谓的权限，就是我能操纵谁，谁能操纵我。

“谁能操作我”，很显然，这个时候我就是被操作的对象，就是Objective，那个想操作我的就是Subjective。“我能操作谁”，这个时候我就是Subjective，那个要被我操作的就是Objectvie。

“操作”，就是一个对象对另一个对象进行某些动作。当动作要实施的时候，就要审核权限，当两边的权限匹配上了，就可以实施操作。其中，real_cred就是说明谁能操作我这个进程，而cred就是说明我这个进程能够操作谁。

这里cred的定义如下：

struct cred {
......
        kuid_t          uid;            /* real UID of the task */
        kgid_t          gid;            /* real GID of the task */
        kuid_t          suid;           /* saved UID of the task */
        kgid_t          sgid;           /* saved GID of the task */
        kuid_t          euid;           /* effective UID of the task */
        kgid_t          egid;           /* effective GID of the task */
        kuid_t          fsuid;          /* UID for VFS ops */
        kgid_t          fsgid;          /* GID for VFS ops */
......
        kernel_cap_t    cap_inheritable; /* caps our children can inherit */
        kernel_cap_t    cap_permitted;  /* caps we're permitted */
        kernel_cap_t    cap_effective;  /* caps we can actually use */
        kernel_cap_t    cap_bset;       /* capability bounding set */
        kernel_cap_t    cap_ambient;    /* Ambient capability set */
......
} __randomize_layout;

从这里的定义可以看出，大部分是关于用户和用户所属的用户组信息。

第一个是uid和gid，注释是real user/group id。一般情况下，谁启动的进程，就是谁的ID。但是权限审核的时候，往往不比较这两个，也就是说不大起作用。

第二个是euid和egid，注释是effective user/group id。一看这个名字，就知道这个是起“作用”的。当这个进程要操作消息队列、共享内存、信号量等对象的时候，其实就是在比较这个用户和组是否有权限。

第三个是fsuid和fsgid，也就是filesystem user/group id。这个是对文件操作会审核的权限。

一般说来，fsuid、euid，和uid是一样的，fsgid、egid，和gid也是一样的。因为谁启动的进程，就应该审核启动的用户到底有没有这个权限。

但是也有特殊的情况。

例如，用户A想玩一个游戏，这个游戏的程序是用户B安装的。游戏这个程序文件的权限为rwxr–r--。A是没有权限运行这个程序的，所以用户B要给用户A权限才行。用户B说没问题，都是朋友嘛，于是用户B就给这个程序设定了所有的用户都能执行的权限rwxr-xr-x，说兄弟你玩吧。

于是，用户A就获得了运行这个游戏的权限。当游戏运行起来之后，游戏进程的uid、euid、fsuid都是用户A。看起来没有问题，玩得很开心。

用户A好不容易通过一关，想保留通关数据的时候，发现坏了，这个游戏的玩家数据是保存在另一个文件里面的。这个文件权限rw-------，只给用户B开了写入权限，而游戏进程的euid和fsuid都是用户A，当然写不进去了。完了，这一局白玩儿了。

那怎么解决这个问题呢？我们可以通过chmod u+s program命令，给这个游戏程序设置set-user-ID的标识位，把游戏的权限变成rwsr-xr-x。这个时候，用户A再启动这个游戏的时候，创建的进程uid当然还是用户A，但是euid和fsuid就不是用户A了，因为看到了set-user-id标识，就改为文件的所有者的ID，也就是说，euid和fsuid都改成用户B了，这样就能够将通关结果保存下来。

在Linux里面，一个进程可以随时通过setuid设置用户ID，所以，游戏程序的用户B的ID还会保存在一个地方，这就是suid和sgid，也就是saved uid和save gid。这样就可以很方便地使用setuid，通过设置uid或者suid来改变权限。

除了以用户和用户组控制权限，Linux还有另一个机制就是capabilities。

原来控制进程的权限，要么是高权限的root用户，要么是一般权限的普通用户，这时候的问题是，root用户权限太大，而普通用户权限太小。有时候一个普通用户想做一点高权限的事情，必须给他整个root的权限。这个太不安全了。

于是，我们引入新的机制capabilities，用位图表示权限，在capability.h可以找到定义的权限。我这里列举几个。

#define CAP_CHOWN            0
#define CAP_KILL             5
#define CAP_NET_BIND_SERVICE 10
#define CAP_NET_RAW          13
#define CAP_SYS_MODULE       16
#define CAP_SYS_RAWIO        17
#define CAP_SYS_BOOT         22
#define CAP_SYS_TIME         25
#define CAP_AUDIT_READ          37
#define CAP_LAST_CAP         CAP_AUDIT_READ

对于普通用户运行的进程，当有这个权限的时候，就能做这些操作；没有的时候，就不能做，这样粒度要小很多。

cap_permitted表示进程能够使用的权限。但是真正起作用的是cap_effective。cap_permitted中可以包含cap_effective中没有的权限。一个进程可以在必要的时候，放弃自己的某些权限，这样更加安全。假设自己因为代码漏洞被攻破了，但是如果啥也干不了，就没办法进一步突破。

cap_inheritable表示当可执行文件的扩展属性设置了inheritable位时，调用exec执行该程序会继承调用者的inheritable集合，并将其加入到permitted集合。但在非root用户下执行exec时，通常不会保留inheritable集合，但是往往又是非root用户，才想保留权限，所以非常鸡肋。

cap_bset，也就是capability bounding set，是系统中所有进程允许保留的权限。如果这个集合中不存在某个权限，那么系统中的所有进程都没有这个权限。即使以超级用户权限执行的进程，也是一样的。

这样有很多好处。例如，系统启动以后，将加载内核模块的权限去掉，那所有进程都不能加载内核模块。这样，即便这台机器被攻破，也做不了太多有害的事情。

cap_ambient是比较新加入内核的，就是为了解决cap_inheritable鸡肋的状况，也就是，非root用户进程使用exec执行一个程序的时候，如何保留权限的问题。当执行exec的时候，cap_ambient会被添加到cap_permitted中，同时设置到cap_effective中。

内存管理

每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，这需要有一个数据结构来表示，就是mm_struct。这个我们在内存管理那一节详细讲述。这里你先有个印象。

struct mm_struct                *mm;
struct mm_struct                *active_mm;

文件与文件系统

每个进程有一个文件系统的数据结构，还有一个打开文件的数据结构。这个我们放到文件系统那一节详细讲述。

/* Filesystem information: */
struct fs_struct                *fs;
/* Open file information: */
struct files_struct             *files;

总结时刻

这一节，我们终于把进程管理复杂的数据结构基本讲完了，请你重点记住以下两点：

进程亲缘关系维护的数据结构，是一种很有参考价值的实现方式，在内核中会多个地方出现类似的结构；
进程权限中setuid的原理，这一点比较难理解，但是很重要，面试经常会考。

你可以对着下面这张图，看看自己是否真的理解了，进程树是如何组织的，以及如何控制进程的权限的。

课堂练习

通过这一节的学习，你会发现，一个进程的运行竟然要保存这么多信息，这些信息都可以通过命令行取出来，所以今天的练习题就是，对于一个正在运行的进程，通过命令行找到上述进程运行的所有信息。

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（15）

石维康 👍（65） 💬（4）
文中说“如果在 bash 上使用 GDB 来 debug 一个进程，这个时候 GDB 是 real_parent，bash 是这个进程的 parent。” 根据copy_process里对PT_PTRACED标志位处理的流程来看，应该是 bash 是 real_parent，GDB 是这个进程的 parent 吧？
2019-04-24

garlic 👍（50） 💬（1）
进程的相关信息可以通过ps 获取，依赖关系通过pstree获取，文件相关通过lsof， fuser，capabilities相关通过capsh，getcap获取，学习笔记https://garlicspace.com/2019/07/03/获取进程信息相关命令/
2019-07-03

WL 👍（44） 💬（5）
请问一下老师这句代码中的, __rcu是什么意思? 起到的作用是啥? 在网上好像没搜到. const struct cred __rcu *real_cred;
2019-04-30

逍觉迷遥 👍（34） 💬（3）
①这节内容解决了关于上节task_struct为什么要用链表结构，是为了维护多个task之间的关系。一个task节点的parent指针指向其父进程task，children指针指向子进程所有task的头部，然后又靠 sibling指针来维护统一级兄弟task！ ②setUid是一个权限的特殊标志位，带有这个标志位可以对文件执行等同root的权限！比如，Linux下修改密码的指令passwd，我们ls去查看时发现其权限就有s标志，这个就是之所以能修改密码的原因。如果去掉这个权限，再以普通用户身份去修改密码则会提示没有权限！这个例子和老师的玩游戏可以说是异曲同工，但它更具有普遍性，大家也更熟悉！ ③capabilities听了感觉云里雾里还是一知半解，老师着重讲了概念，但还是不知道怎么用？？？希望老师结合实际使用例子讲一下就更好了！！！
2019-04-24

manatee 👍（17） 💬（2）
通过/proc/pid/status可以看到进程的所属的各种id
2019-04-24

wumin 👍（7） 💬（2）
作业能给出具体的命令吗？
2019-05-21

勤劳的小胖子-libo 👍（1） 💬（1）
通过passwd来试验setUid很方便，谢谢一起学习的同志
2019-05-12

Linuxer 👍（1） 💬（1）
u64 real_start_time;// 进程启动时间，包含睡眠时间感觉不好理解是不是启动时长?
2019-04-24

LS 👍（0） 💬（1）
由于 list_add(&subtask->sibling, &current->children); 文中的进程链表图是不是应该是父进程的 children 指向的是子进程的 sibling 而不是子进程 task 结构体本身？
2019-05-07

青石 👍（0） 💬（1）
请问老师，同一级的所有进程的sibling是指向同一块内存地址吗？
2019-04-25

kdb_reboot 👍（0） 💬（1）
一个建议：最近几篇都在介绍概念，可否增加实际操作的案例
2019-04-25

Linuxer 👍（0） 💬（1）
命令行是指cat /proc/pid /*
2019-04-24

ninuxer 👍（0） 💬（1）
setuid倒是好理解，进程树相关的程序结构不好消化
2019-04-24

菲菲 👍（0） 💬（3）
老师可以提供一下课程内容讲解的内核代码，直接链接么？看网页kernel.org还有GitHub，没有找到课程讲述的。
2019-04-24

why 👍（46） 💬（3）
- 运行统计信息, 包含用户/内核态运行时间; 上/下文切换次数; 启动时间等; - 进程亲缘关系 - 拥有同一父进程的所有进程具有兄弟关系 - 包含: 指向 parent; 指向 real_parent; 子进程双向链表头结点; 兄弟进程双向链表头结点 - parent 指向的父进程接收进程结束信号 - real_parent 和 parent 通常一样; 但在 bash 中用 GDB 调试程序时, GDB 是 real_parent, bash 是 parent - 进程权限, 包含 real_cred 指针(谁能操作我); cred 指针(我能操作谁) - cred 结构体中标明多组用户和用户组 id - uid/gid(哪个用户的进程启动我) - euid/egid(按照哪个用户审核权限, 操作消息队列, 共享内存等) - fsuid/fsgid(文件操作时审核) - 这三组 id 一般一样 - 通过 chmod u+s program, 给程序设置 set-user-id 标识位, 运行时程序将进程 euid/fsuid 改为程序文件所有者 id - suid/sgid 可以用来保存 id, 进程可以通过 setuid 更改 uid - capability 机制, 以细粒度赋予普通用户部分高权限 (capability.h 列出了权限) - cap_permitted 表示进程的权限 - cap_effective 实际起作用的权限, cap_permitted 范围可大于 cap_effective - cap_inheritable 若权限可被继承, 在 exec 执行时继承的权限集合, 并加入 cap_permitted 中(但非 root 用户不会保留 cap_inheritable 集合) - cap_bset 所有进程保留的权限(限制只用一次的功能) - cap_ambient exec 时, 并入 cap_permitted 和 cap_effective 中 - 内存管理: mm_struct - 文件与文件系统: 打开的文件, 文件系统相关数据结构
2019-04-24