Linux 线程相关结构对照表与关系图

Linux 线程相关结构对照表与关系图

目标：精炼说明 thread_info、task_struct、thread_struct 三者的定位、用途、访问方式与典型源码位置，并给出图示与观测点位。

代码树：kernel-4.4.94。

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1. 三者对照表（用途与访问）

结构	主要用途	典型字段/内容	存放位置	访问方式	典型源码位置
thread_info	入口/返回热路径的轻量线程元信息；快速判定调度/信号等	flags(TIF_*)、preempt_count、指向 task_struct	伴随"每线程内核栈"的固定位置（多为栈底），依架构而定	汇编/内核可通过 sp 掩码/移位 O(1) 获取；C 侧 task_thread_info()	arch/*/include/asm/thread_info.h；include/linux/sched.h 宏
task_struct	进程/线程的完整描述符；跨子系统的核心对象	调度（state/prio/sched_class/se/rt/dl）、mm、files、fs、signal/sighand、关系链、凭证、安全等	独立分配的内核对象（含 stack 指针）	通过 current 或 thread_info->task 获取；task->stack 可回到 thread_info	include/linux/sched.h（定义）；kernel/fork.c（创建/复制）
thread_struct	寄存器上下文/FPU/TLS，供上下文切换与栈初始化使用	架构专属寄存器集、FPU 状态、TLS、返回地址	嵌在 task_struct 中（task_struct.thread）	由 switch_to() / copy_thread_tls() 架构代码读写	arch/*/kernel/process.c、arch/*/include/asm/processor.h

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2. 关系图与内核栈布局（示意）

高地址                                                      低地址
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      task_struct（独立分配的对象）           │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘
                 │
                 │ task->stack 指向内核栈基址（架构约定）
                 ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐ ← 高地址（栈顶，初始SP）
│                  内核栈（每任务私有，大小=THREAD_SIZE）       │
│    ··· 运行时压入帧、保存寄存器（pt_regs）、异常帧等 ···      │
│                                                              │
│    （有的架构在栈底或单独区域存放 thread_info）              │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘ ← 低地址（栈底）
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│               thread_info（常位于栈底或附近）                │
│  - flags/TIF_*/preempt_count/sp 等快速访问域                 │
│  - 指向 task_struct（便于 current/this_thread_info 获取）     │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

（注：不同架构的 thread_info 定位与 THREAD_SIZE/THREAD_SIZE_ORDER 定义不同；详见各架构的 `thread_info.h`。）

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3. 为什么需要 thread_info

• 低开销热路径：在异常/中断/系统调用入口与返回时，汇编代码需快速判断 TIF_NEED_RESCHED、TIF_SIGPENDING 等，无需先解引用庞大的 task_struct。
• 早期可用：在某些早期阶段取用 task_struct 不安全，而 thread_info 随栈可稳定访问。
• 历史与兼容：4.4.94 时代多架构采用"thread_info 在栈"的模式统一了 current_thread_info() 的获取；后续部分架构引入 CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK（与本树不同）。

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4. 源码索引（对照）

• 访问宏：include/linux/sched.h
  • task_thread_info(task)、task_stack_page(task)、end_of_stack(task)。
• 架构定义：arch/*/include/asm/thread_info.h
  • struct thread_info 字段与 THREAD_SIZE/THREAD_SIZE_ORDER（如 ARM: PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER，x86_64: arch/x86/include/asm/page_64_types.h）。
• 栈/返回路径：arch/*/kernel/entry.S
  • 例如 arch/mn10300/kernel/entry.S 的 GET_THREAD_INFO 与 TIF_ALLWORK_MASK 检查；系统调用返回路径基于 thread_info->flags 做调度/信号处理。
• 创建与初始化：kernel/fork.c
  • copy_thread_tls() 初始化子线程的内核栈与返回路径（如 ret_from_fork）；dup_task_struct() 分配 task_struct 与栈。
• 上下文切换：arch/*/kernel/process.c, switch_to()
  • 读写 task_struct.thread（thread_struct）以保存/恢复寄存器与 FPU/TLS。

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5. 观测与验证建议

• Ftrace：
  • sched_switch、sched_process_fork、sched_process_exec 可辅助关联"线程切换/创建/换映像"与 thread_info.flags 的时机。
• /proc 快照：
  • cat /proc/<pid>/sched 查看任务策略与统计；/proc/sched_debug 查看 CFS 队列与 vruntime。
• 代码交叉验证：
  • 架构入口的 entry.S 与 thread_info.h，配合 sched.h 宏，确认"sp → thread_info → current"的访问路径。

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6. 小结

• thread_info 为"快而近"的线程元信息，服务于入口/返回热路径与抢占/信号判定；
• task_struct 为"全量"的进程/线程描述符，跨子系统管理任务的全部状态；
• thread_struct 为"架构上下文"，在切换与初始化中保存寄存器/FPU/TLS；三者分层协作，既兼顾性能也满足可维护性。