Linux进程ID号--Linux进程的管理与调度(三)【转】

Linux 内核使用 task_struct 数据结构来关联所有与进程有关的数据和结构,Linux 内核所有涉及到进程和程序的所有算法都是围绕该数据结构建立的,是内核中最重要的数据结构之一。

该数据结构在内核文件include/linux/sched.h中定义,在目前最新的Linux-4.5(截至目前的日期为2016-05-11)的内核中,该数据结构足足有 380 行之多,在这里我不可能逐项去描述其表示的含义,本篇文章只关注该数据结构如何来组织和管理进程ID的。

进程ID概述

进程ID类型

要想了解内核如何来组织和管理进程ID,先要知道进程ID的类型:

内核中进程ID的类型用pid_type来描述,它被定义在include/linux/pid.h中:

enum pid_type
{
    PIDTYPE_PID,
    PIDTYPE_PGID,
    PIDTYPE_SID,
    PIDTYPE_MAX
};
  • PID 内核唯一区分每个进程的标识

pid是 Linux 中在其命名空间中唯一标识进程而分配给它的一个号码,称做进程ID号,简称PID。在使用 fork 或 clone 系统调用时产生的进程均会由内核分配一个新的唯一的PID值

注意它并不是我们用户空间通过getpid( )所获取到的那个进程号,至于原因么,接着往下看

  • TGID 线程组(轻量级进程组)的ID标识

在一个进程中,如果以CLONE_THREAD标志来调用clone建立的进程就是该进程的一个线程(即轻量级进程,Linux其实没有严格的进程概念),它们处于一个线程组,该线程组的所有线程的ID叫做TGID。处于相同的线程组中的所有进程都有相同的TGID,但是由于他们是不同的进程,因此其pid各不相同;线程组组长(也叫主线程)的TGID与其PID相同;一个进程没有使用线程,则其TGID与PID也相同。

  • PGID

另外,独立的进程可以组成进程组(使用setpgrp系统调用),进程组可以简化向所有组内进程发送信号的操作,例如用管道连接的进程处在同一进程组内。进程组ID叫做PGID,进程组内的所有进程都有相同的PGID,等于该组组长的PID。

  • SID

几个进程组可以合并成一个会话组(使用setsid系统调用),可以用于终端程序设计。会话组中所有进程都有相同的SID,保存在task_struct的session成员中

PID命名空间

pid命名空间概述

命名空间是为操作系统层面的虚拟化机制提供支撑,目前实现的有六种不同的命名空间,分别为mount命名空间、UTS命名空间、IPC命名空间、用户命名空间、PID命名空间、网络命名空间。命名空间简单来说提供的是对全局资源的一种抽象,将资源放到不同的容器中(不同的命名空间),各容器彼此隔离。

命名空间有的还有层次关系,如PID命名空间

在上图有四个命名空间,一个父命名空间衍生了两个子命名空间,其中的一个子命名空间又衍生了一个子命名空间。以PID命名空间为例,由于各个命名空间彼此隔离,所以每个命名空间都可以有 PID 号为 1 的进程;但又由于命名空间的层次性,父命名空间是知道子命名空间的存在,因此子命名空间要映射到父命名空间中去,因此上图中 level 1 中两个子命名空间的六个进程分别映射到其父命名空间的PID 号5~10。

局部ID和全局ID

命名空间增加了PID管理的复杂性。

回想一下,PID命名空间按层次组织。在建立一个新的命名空间时,该命名空间中的所有PID对父命名空间都是可见的,但子命名空间无法看到父命名空间的PID。但这意味着某些进程具有多个PID,凡可以看到该进程的命名空间,都会为其分配一个PID。 这必须反映在数据结构中。我们必须区分局部ID全局ID

全局PID和TGID直接保存在task_struct中,分别是task_struct的pidtgid成员:

  • 全局ID 在内核本身和初始命名空间中唯一的ID,在系统启动期间开始的 init 进程即属于该初始命名空间。系统中每个进程都对应了该命名空间的一个PID,叫全局ID,保证在整个系统中唯一。
  • 局部ID 对于属于某个特定的命名空间,它在其命名空间内分配的ID为局部ID,该ID也可以出现在其他的命名空间中。
<sched.h> 
struct task_struct
{  
        //...  
        pid_t pid;  
        pid_t tgid;  
        //...  
}

两项都是pid_t类型,该类型定义为__kernel_pid_t,后者由各个体系结构分别定义。通常定义为int,即可以同时使用232个不同的ID。

会话session和进程group组ID不是直接包含在task_struct本身中,但保存在用于信号处理的结构中。

task_ struct->signal->__session表示全局SID, 而全局PGID则保存在task_struct->signal->__pgrp。 辅助函数set_task_session和set_task_pgrp可用于修改这些值。

除了这两个字段之外,内核还需要找一个办法来管理所有命名空间内部的局部量,以及其他ID(如TID和SID)。这需要几个相互连接的数据结构,以及许多辅助函数,并将在下文讨论。

下文我将使用ID指代提到的任何进程ID。在必要的情况下,我会明确地说明ID类型(例如,TGID,即线程组ID)。

一个小型的子系统称之为PID分配器(pid allocator)用于加速新ID的分配。此外,内核需要提供辅助函数,以实现通过ID及其类型查找进程的task_struct的功能,以及将ID的内核表示形式和用户空间可见的数值进行转换的功能。

PID命名空间数据结构pid_namespace

在介绍表示ID本身所需的数据结构之前,我需要讨论PID命名空间的表示方式。我们所需查看的代码如下所示:

pid_namespace的定义在include/linux/pid_namespace.h

命名空间的结构如下:

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;
}

我们这里只关心其中的child_reaper,level和parent这三个字段

字段

描述

kref

表示指向pid_namespace的个数

pidmap

pidmap结构体表示分配pid的位图。当需要分配一个新的pid时只需查找位图,找到bit为0的位置并置1,然后更新统计数据域(nr_free)

last_pid

用于pidmap的分配。指向最后一个分配的pid的位置。(不是特别确定)

child_reaper

指向的是当前命名空间的init进程,每个命名空间都有一个作用相当于全局init进程的进程

pid_cachep

域指向分配pid的slab的地址。

level

代表当前命名空间的等级,初始命名空间的level为0,它的子命名空间level为1,依次递增,而且子命名空间对父命名空间是可见的。从给定的level设置,内核即可推断进程会关联到多少个ID。

parent

指向父命名空间的指针

实际上PID分配器也需要依靠该结构的某些部分来连续生成唯一ID,但我们目前对此无需关注。我们上述代码中给出的下列成员更感兴趣。

每个PID命名空间都具有一个进程,其发挥的作用相当于全局的init进程。init的一个目的是对孤儿进程调用wait4,命名空间局部的init变体也必须完成该工作。

pid结构描述

pid与upid

PID的管理围绕两个数据结构展开:

  • struct pid是内核对PID的内部表示,
  • struct upid则表示特定的命名空间中可见的信息。

两个结构的定义在include/linux/pid.h中

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具体的值

ns

指向命名空间的指针

pid_chain

指向PID哈希列表的指针,用于关联对于的PID

所有的upid实例都保存在一个散列表中,稍后我们会看到该结构。

struct pid  
{  
        atomic_t count;  
        /* 使用该pid的进程的列表, lists of tasks that use this pid  */
        struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];  
        int level;  
        struct upid numbers[1];  
};

tasks是一个数组,每个数组项都是一个散列表头,对应于一个ID类型,PIDTYPE_PID, PIDTYPE_PGID, PIDTYPE_SID( PIDTYPE_MAX表示ID类型的数目)这样做是必要的,因为一个ID可能用于几个进程。所有共享同一给定ID的task_struct实例,都通过该列表连接起来。 这个枚举常量PIDTYPE_MAX,正好是pid_type类型的数目,这里linux内核使用了一个小技巧来由编译器来自动生成id类型的数目

此外,还有两个结构我们需要说明,就是pidmap和pid_link

  • pidmap当需要分配一个新的pid时查找可使用pid的位图,其定义如下
  • 而pid_link则是pid的哈希表存储结构

pidmap用于分配pid的位图

struct pidmap
{  
    atomic_t nr_free;  
    void *page; 
};

字段

描述

nr_free

表示还能分配的pid的数量

page

指向的是存放pid的物理页

pidmap[PIDMAP_ENTRIES]域表示该pid_namespace下pid已分配情况

pid_link哈希表存储

pids[PIDTYPE_MAX]指向了和该task_struct相关的pid结构体。 pid_link的定义如下

struct pid_link  
{  
struct hlist_node node;  
struct pid *pid;  
};

task_struct中进程ID相关数据结构

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;  
    //...  
};

table th:nth-of-type(1){ width: 10%; } table th:nth-of-type(2){ width: 20% ; }

字段

描述

pid

指该进程的进程描述符。在fork函数中对其进行赋值的

tgid

指该进程的线程描述符。在linux内核中对线程并没有做特殊的处理,还是由task_struct来管理。所以从内核的角度看, 用户态的线程本质上还是一个进程。对于同一个进程(用户态角度)中不同的线程其tgid是相同的,但是pid各不相同。 主线程即group_leader(主线程会创建其他所有的子线程)。如果是单线程进程(用户态角度),它的pid等于tgid。

group_leader

除了在多线程的模式下指向主线程,还有一个用处, 当一些进程组成一个群组时(PIDTYPE_PGID), 该域指向该群组的leader

对于用户态程序来说,调用getpid()函数其实返回的是tgid,因此线程组中的进程id应该是是一致的,但是他们pid不一致,这也是内核区分他们的标识

  1. 多个task_struct可以共用一个PID
  2. 一个PID可以属于不同的命名空间
  3. 当需要分配一个新的pid时候,只需要查找pidmap位图即可

那么最终,linux下进程命名空间和进程的关系结构如下:

可以看到,多个task_struct指向一个PID,同时PID的hash数组里安装不同的类型对task进行散列,并且一个PID会属于多个命名空间。

内核是如何设计task_struct中进程ID相关数据结构的

Linux 内核在设计管理ID的数据结构时,要充分考虑以下因素:

  1. 如何快速地根据进程的 task_struct、ID类型、命名空间找到局部ID
  2. 如何快速地根据局部ID、命名空间、ID类型找到对应进程的 task_struct
  3. 如何快速地给新进程在可见的命名空间内分配一个唯一的 PID

如果将所有因素考虑到一起,将会很复杂,下面将会由简到繁设计该结构。

一个PID对应一个task时的task_struct设计

一个PID对应一个task_struct如果先不考虑进程之间的关系,不考虑命名空间,仅仅是一个PID号对应一个task_struct,那么我们可以设计这样的数据结构。

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 散列表结点
};

每个进程的 task_struct 结构体中有一个指向 pid 结构体的指针,pid结构体包含了PID号。

结构示意图如图

如何快速地根据局部ID、命名空间、ID类型找到对应进程的 task_struct

图中还有两个结构上面未提及:

  • pid_hash[] 这是一个hash表的结构,根据pid的nr值哈希到其某个表项,若有多个 pid 结构对应到同一个表项,这里解决冲突使用的是散列表法。

这样,就能解决开始提出的第2个问题了,根据PID值怎样快速地找到task_struct结构体:

  1. 首先通过 PID 计算 pid 挂接到哈希表 pid_hash[] 的表项
  2. 遍历该表项,找到 pid 结构体中 nr 值与 PID 值相同的那个 pid
  3. 再通过该 pid 结构体的 tasks 指针找到 node
  4. 最后根据内核的 container_of 机制就能找到 task_struct 结构体

如何快速地给新进程在可见的命名空间内分配一个唯一的 PID

  • pid_map 这是一个位图,用来唯一分配PID值的结构,图中灰色表示已经分配过的值,在新建一个进程时,只需在其中找到一个为分配过的值赋给 pid 结构体的 nr,再将pid_map 中该值设为已分配标志。这也就解决了上面的第3个问题——如何快速地分配一个全局的PID

如何快速地根据进程的 task_struct、ID类型、命名空间找到局部ID

至于上面的第1个问题就更加简单,已知 task_struct 结构体,根据其 pid_link 的 pid 指针找到 pid 结构体,取出其 nr 即为 PID 号。

带进程ID类型的task_struct设计

如果考虑进程之间有复杂的关系,如线程组、进程组、会话组,这些组均有组ID,分别为 TGID、PGID、SID,所以原来的 task_struct 中pid_link 指向一个 pid 结构体需要增加几项,用来指向到其组长的 pid 结构体,相应的 struct pid 原本只需要指回其 PID 所属进程的task_struct,现在要增加几项,用来链接那些以该 pid 为组长的所有进程组内进程。数据结构如下:

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 散列表结点
};

上面 ID 的类型 PIDTYPE_MAX 表示 ID 类型数目。之所以不包括线程组ID,是因为内核中已经有指向到线程组的 task_struct 指针 group_leader,线程组 ID 无非就是 group_leader 的PID。

假如现在有三个进程A、B、C为同一个进程组,进程组长为A,这样的结构示意图如图

关于上图有几点需要说明:

图中省去了 pid_hash 以及 pid_map 结构,因为第一种情况类似;

进程B和C的进程组组长为A,那么 pids[PIDTYPE_PGID] 的 pid 指针指向进程A的 pid 结构体;

进程A是进程B和C的组长,进程A的 pid 结构体的 tasks[PIDTYPE_PGID] 是一个散列表的头,它将所有以该pid 为组长的进程链接起来。

再次回顾本节的三个基本问题,在此结构上也很好去实现。

进一步增加进程PID命名空间的task_struct设计

若在第二种情形下再增加PID命名空间

一个进程就可能有多个PID值了,因为在每一个可见的命名空间内都会分配一个PID,这样就需要改变 pid 的结构了,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 结构体中增加了一个表示该进程所处的命名空间的层次level,以及一个可扩展的 upid 结构体。对于struct upid,表示在该命名空间所分配的进程的ID,ns指向是该ID所属的命名空间,pid_chain 表示在该命名空间的散列表。

举例来说,在level 2 的某个命名空间上新建了一个进程,分配给它的 pid 为45,映射到 level 1 的命名空间,分配给它的 pid 为 134;再映射到 level 0 的命名空间,分配给它的 pid 为289,对于这样的例子,如图4所示为其表示:

图中关于如果分配唯一的 PID 没有画出,但也是比较简单,与前面两种情形不同的是,这里分配唯一的 PID 是有命名空间的容器的,在PID命名空间内必须唯一,但各个命名空间之间不需要唯一。

至此,已经与 Linux 内核中数据结构相差不多了。

进程ID管理函数

有了上面的复杂的数据结构,再加上散列表等数据结构的操作,就可以写出我们前面所提到的三个问题的函数了:

pid号到struct pid实体

很多时候在写内核模块的时候,需要通过进程的pid找到对应进程的task_struct,其中首先就需要通过进程的pid找到进程的struct pid,然后再通过struct pid找到进程的task_struct

我知道的实现函数有三个。

struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
struct pid *find_vpid(int nr)
struct pid *find_get_pid(pid_t nr)

find_pid_ns获得 pid 实体的实现原理,主要使用哈希查找。内核使用哈希表组织struct pid,每创建一个新进程,给进程的struct pid都会插入到哈希表中,这时候就需要使用进程 的进程pid和命名ns在哈希表中将相对应的struct pid索引出来,现在可以看下find_pid_ns的传入参数,也是通过nr和ns找到struct pid。

根据局部PID以及命名空间计算在 pid_hash 数组中的索引,然后遍历散列表找到所要的 upid, 再根据内核的 container_of 机制找到 pid 实例。

代码如下:

struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
{
        struct hlist_node *elem;
        struct upid *pnr; 

        hlist_for_each_entry_rcu(pnr, elem,
                        &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
                if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
                        return container_of(pnr, struct pid,
                                        numbers[ns->level]);

        return NULL;
}

而另外两个函数则是对其进行进一步的封装,如下

struct pid *find_vpid(int nr)
{
        return find_pid_ns(nr, current->nsproxy->pid_ns);
}
struct pid *find_get_pid(pid_t nr)
{ 
        struct pid *pid; 

        rcu_read_lock();
        pid = get_pid(find_vpid(nr)); 
        rcu_read_unlock();

        return pid; 
}

三者之间的调用关系如下

由图可以看出,find_pid_ns是最终的实现,find_vpid是使用find_pid_ns实现的,find_get_pid又是由find_vpid实现的。

由原代码可以看出find_vpid和find_pid_ns是一样的,而find_get_pid和find_vpid有一点差异,就是使用find_get_pid将返回的struct pid中的字段count加1,而find_vpid没有加1。

获得局部ID

根据进程的 task_struct、ID类型、命名空间,可以很容易获得其在命名空间内的局部ID

获得与task_struct 关联的pid结构体。辅助函数有 task_pid、task_tgid、task_pgrp和task_session,分别用来获取不同类型的ID的pid 实例,如获取 PID 的实例:

static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
{
    return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}

获取线程组的ID,前面也说过,TGID不过是线程组组长的PID而已,所以:

static inline struct pid *task_tgid(struct task_struct *task)
{
    return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}

而获得PGID和SID,首先需要找到该线程组组长的task_struct,再获得其相应的 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;
}

获得 pid 实例之后,再根据 pid 中的numbers 数组中 uid 信息,获得局部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;
}

这里值得注意的是,由于PID命名空间的层次性,父命名空间能看到子命名空间的内容,反之则不能,因此,函数中需要确保当前命名空间的level 小于等于产生局部PID的命名空间的level。

除了这个函数之外,内核还封装了其他函数用来从 pid 实例获得 PID 值,如 pid_nr、pid_vnr 等。在此不介绍了。

结合这两步,内核提供了更进一步的封装,提供以下函数:

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);

从函数名上就能推断函数的功能,其实不外于封装了上面的两步。

根据PID查找进程task_struct

  • 根据PID号(nr值)取得task_struct 结构体
  • 根据PID以及其类型(即为局部ID和命名空间)获取task_struct结构体

如果根据的是进程的ID号,我们可以先通过ID号(nr值)获取到进程struct pid实体(局部ID),然后根据局部ID、以及命名空间,获得进程的task_struct结构体

可以使用pid_task根据pid和pid_type获取到进程的task

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;
}

那么我们根据pid号查找进程task的过程就成为

pTask = pid_task(find_vpid(pid), PIDTYPE_PID);  

内核还提供其它函数用来实现上面两步:

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);

由于linux进程是组织在双向链表和红黑树中的,因此我们通过遍历链表或者树也可以找到当前进程,但是这个并不是我们今天的重点

生成唯一的PID

内核中使用下面两个函数来实现分配和回收PID的:

static int alloc_pidmap(struct pid_namespace *pid_ns);
static void free_pidmap(struct upid *upid);

在这里我们不关注这两个函数的实现,反而应该关注分配的 PID 如何在多个命名空间中可见,这样需要在每个命名空间生成一个局部ID,函数 alloc_pid 为新建的进程分配PID,简化版如下:

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[] 结构体
    for (i = ns->level; i >= 0; i--)
    {
        nr = alloc_pidmap(tmp); //分配一个局部ID
        pid->numbers[i].nr = nr;
        pid->numbers[i].ns = tmp;
        tmp = tmp->parent;
    }
    // 初始化 pid->task[] 结构体
    for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
        INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);

    // 将每个命名空间经过哈希之后加入到散列表中
    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;
}

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