linux内核线程「建议收藏」

全栈程序员站长

发布于 2022-09-15 10:54:59

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发布于 2022-09-15 10:54:59

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

内核经常需要在后台执行一些操作，这种任务就可以通过内核线程（kernle thread）完成，内核线程是独立运行在内核空间的标准进程。内核线程和普通的进程间的区别在于内核线程没有独立的地址空间，mm指针被设置为NULL；它只在内核空间运行，从来不切换到用户空间去；并且和普通进程一样，可以被调度，也可以被抢占。实际上，内核线程只能由其他内核线程创建，linux驱动模块中可以用kernel_thread()，kthread_create()/kthread_run()两种方式创建内核线程，另外还可以用第三方库（如pthread，除此之外还有其他的第三方库），在驱动模块中创建线程（pthread也可以用在用户空间）：

一、linux进程的创建

kernel/init/main.c

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{ 
   
     ...
	/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
	rest_init();
}

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{ 
   
	int pid;

	rcu_scheduler_starting();
	/* * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS. */
	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);     //1号进程
	numa_default_policy();
	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);     //2号进程
	rcu_read_lock();
	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
	rcu_read_unlock();
	complete(&kthreadd_done);

	/* * The boot idle thread must execute schedule() * at least once to get things moving: */
	init_idle_bootup_task(current);
	schedule_preempt_disabled();
	/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
	cpu_idle();
}

kthreadd这个2号进程所做的事就是： 1 : 遍历链表 kthread_create_list 如果为空：让出cpu，休眠 2 ：如果不为空: 从链表中取出来，创建内核进程

kernel/kernel/kthread.c

int kthreadd(void *unused)
{ 
   
    struct task_struct * tak = current;
    /** 设定task的名字 */
    set_task_comm(tsk,"kthreadd");
    { 
   
        ...
        strlcpy(tsk->comm,buf,sizeof(tsk->comm));
        ...
    }
    /** 忽略所有的信号 */
    ignore_signals(tsk);
    { 
   
        int i ;
        for (i = 0; i < _NSIG; ++i)
        { 
   
            /** 默认处理函数设置为SIG_IGN //act.sa_handler = do_sig; //act.sa_handler = SIG_IGN; act.sa_handler = SIG_DFL; manpage中有这样的描述: sa_handler specifies the action to be associated with signum and may be SIG_DFL for the default action, SIG_IGN to ignore this signal, */
            t->sighand->action[i].sa.sa_handler = SIG_IGN;
        }
        flush_signals(t);
    }

    ....
    /** 死循环 */
    for(;;)
    { 
   
        /** 设置该内核线程的状态为TASK_INTERRUPTIBLE 是为了下面调用schedule()。 */
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

        /** 如果kthread_create_list链表为空，那么 就休眠。 那么它在什么时候 被谁来唤醒呢？ 由kthread_create()函数唤醒 wake_up_process(kthreadd_task); 下面会有分析 */
        if (list_empty(&kthread_create_list))
        { 
   
            schedule();
        }
        /** 如果该线程被唤醒、或者上面的条件不成立， 那么就设置该线程的状态为TASK_RUNNING */
        __set_current_state(TASK_RUNNING);

        spin_lock(&kthread_create_lock);

        /** 判断kthread_create_list是否为空 如果不为空，会进入这个while循环，会创建内核线程 创建一个线程，删掉一个节点，这样直到kthread_create_list为空，跳出while循环，再次进入for循环 */
        while (!list_empty(&kthread_create_list)) 
        { 
   
            struct kthread_create_info *create;

            /* 取出全局链表kthread_create_list第一个节点 那么谁往这个全局链表上放入节点呢？是kthread_create()函数来完成的 list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list); 下面有分析 */
            create = list_entry(kthread_create_list.next,struct kthread_create_info, list);

            /** 从链表上删除该节点。 */
            list_del_init(&create->list);

            spin_unlock(&kthread_create_lock);

            /** 创建内核线程 */
            create_kthread(create);
            { 
   
                pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);
                { 
   
                    .....
                    /** 最终还是调用了do_fork()函数来创建的。<<linux内核设计与实现 3版>>书中说，内核线程是内核态的标准进程。 */
                    return do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, 0, &regs, 0, NULL, NULL);
                }
            }

            spin_lock(&kthread_create_lock);
        }

        spin_unlock(&kthread_create_lock);

    }
    return 0;
}

二、linux线程

2.1 创建线程

（1） kernel_thread()

kernel_thread()声明在include/linux/sched.h里面：

extern pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

参数说明： fn:线程函数地址 arg:线程函数的形参，没有，可以是NULL flags:标志，一般用CLONE_KERNEL（定义在linux/sched.h中，注意有的版本中，没用定义），其他标志及含义见uapi/linux/sched.h中。返回值：返回线程ID值。

注意：kernel_thread()由于没有用EXPORT_SYMBOL导出来，所以用kernel_thread()这能用在和内核一起编译的驱动代码中，如用在ubuntu系统上，不随内核一起编译，单独的驱动程序时，可以编译过，但是用insmod加载驱动模块时，会报未知符号错误”Unknown symbol in module”，而不能加载。

(2) kthread_create():

/** 该函数主要做了两件事情 : 1 : 构造了一个kthread_create_info 结构体，将其挂接到 kthread_create_list链表上 2 : 唤醒 内核线程kthreadd ，让其创建内核线程 */
struct task_struct *kthread_create(int (*threadfn)(void *data),void *data,const char namefmt[],...)
{ 
   
    struct kthread_create_info create;

/** 根据传入的 参数，初始化kthread_create_info结构 struct kthread_create_info { int (*threadfn)(void *data); //用于新创建的内核线程的运行函数 void *data; //参数 struct task_struct *result; //创建成功后 返回的进程描述符 struct completion done; //完成量 struct list_head list; //用于连接到全局链表kthread_create_list } */

    create.threadfn = threadfn;
    create.data = data;

    /** 初始化完成量 */
    init_completion(&create.done);

    spin_lock(&kthread_create_lock);
    /** 将kthread_create_info添加到 kthread_create_list链表上。 kthread_create()创建的内核进程请求信息都会挂接在这个链表上。 */
    list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list);
    spin_unlock(&kthread_create_lock);

    /** 唤醒内核线程kthreadd pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES); kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns); */
    wake_up_process(kthreadd_task);
    /** 等待内核线程kthreadd创建内核线程完成 */
    wait_for_completion(&create.done);

    if (!IS_ERR(create.result)) 
    { 
   
        ...
    }
    return create.result;
}

kthread_create参数说明： threadfn:线程函数地址 data:线程函数形参，如果没有可以定义为NULL namefmt,arg…:线程函数名字，可以格式化输出名字。返回值：返回线程指针（strcut task_struct *）

kthread_create创建线程流程 在结合前面的rest_init、kthreadd、kthread_create。我们可以总结：

rest_init：调用 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES); //2号进程创建了进程kthreadd
kthreadd：在for死循环中，判断kthread_create_list链表是否为空；如果为空，调用schedule()切换进程，让出cpu。当kthread_create里面调用wake_up_process(kthreadd_task)唤醒kthreadd时，程序则接着schedule，接着往下运行；然后在一个while循环中循环的遍历kthread_create_list，并取出节点，创建线程，创建完成然后删除节点，直到kthread_create_list链表为空跳出while循环，在for死循环重新运行
kthread_create： 3.1 : 构造了一个kthread_create_info 结构体，将其挂接到 kthread_create_list链表上 3.2 : 调用wake_up_process(kthreadd_task)，唤醒内核线程kthreadd

所以kthread_create并没有创建线程，他只是将进程结构体kthread_create_info添加到kthread_create_list，然后唤醒2号进程，线程的创建工作是在kthreadd中调用do_fork去创建的。所以我们可以用ps -ef命令看到，2号进程是线程的父进程：

注意： kthread_create()创建后，线程没有立即运行，需要将返回的值，即线程指针（struct task_struct *）,作为参数传入到wake_up_process()唤起线程运行。

唤醒内核线程(可以唤醒所有进程(线程)): wake_up_process(struct task_struct *k); wake_up_process函数解析

函数schedule()实现调度程序。它的任务是从运行队列的链表rq中找到一个进程，并随后将CPU分配给这个进程。 Linux进程调度——schedule()函数分析

kthread_create用法例子：

#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kthread.h>

MODULE_AUTHOR("zimu");
MODULE_LICENSE("GPL");

#define CLONE_KERNEL (CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND)

strcut task_struct *practice_task_p = NULL;

int my_kernel_thread(void *arg)
{ 
   
        int n = 0;

        while(1)
        { 
   
                printk("%s: %d\n",__func__,n++);
                ssleep(3);
        if(kthread_should_stop())
                { 
   
                        break;
                }

        }

        return 0;
}
static int __init practiceCall(void)
{ 
   
        printk("%s:\n",__func__);
        practice_task_p = kthread_create(my_kernel_thread,NULL,"practice task");    
        if(!IS_ERR(practice_task_p))
                wake_up_process(practice_task_p);
        return 0;
}

static void __exit practiceCallExit(void)
{ 
   
        printk("%s:\n",__func__);
        kthread_stop(practice_task_p);
}

module_init(practiceCall);
module_exit(practiceCallExit);

这个例子运行，每隔3秒n加1，并输出，当退出模块时，调用了kthread_stop()函数，当my_kernel_kernel()运行到if(kthread_should_stop())时，条件为真，退出while(1){…}线程退出停止。

注意：在编写线程循环体时，一般都要加入kthread_should_stop(),如果不加，调用kthread_stop()是没有效果的，也会导致模块退出后，线程仍然还在运行。

2.2 创建并运行线程

kthread_run():

kthread_run()声明在include/linux/kthread.h里面，如下：

/** * kthread_run - create and wake a thread. * @threadfn: the function to run until signal_pending(current). * @data: data ptr for @threadfn. * @namefmt: printf-style name for the thread. * * Description: Convenient wrapper for kthread_create() followed by * wake_up_process(). Returns the kthread or ERR_PTR(-ENOMEM). */
#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...) \ ({ \ struct task_struct *__k \ = kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__); \ if (!IS_ERR(__k)) \ wake_up_process(__k); \ __k; \ })

参数说明： threadfn:线程函数地址 data:线程函数形参，没有可以制定为NULL namefmt, …:线程名字，可以格式化输出返回值__k：线程结构体指针（struct task_struct * ）

注意：kthread_run()创建的线程，是立刻运行的。

这个函数的英文注释里很明确的说明：创建并启动一个内核线程。由kthread_create()和wake_up_process()两部分组成，这里的函数kthread_create（）只是创建了内核线程，而后面的这个函数wake_up_process（）则是启动了这个线程，让它在一开始就一直运行下去。直到遇见kthread_should_stop函数或者kthread_stop()函数。

kthread_run()负责内核线程的创建，参数包括入口函数threadfn，参数data，线程名称namefmt。可以看到线程的名字可以是类似sprintf方式组成的字符串。如果线程创建成功，再调用wake_up_process()唤醒新创建的线程。kthread_create()根据参数向kthread_create_list中发送一个请求，并唤醒kthreadd，之后会调用wait_for_completion(&create.done)等待线程创建完成。新创建的线程开始运行后，入口在kthread()，kthread()调用complete(&create->done)唤醒阻塞的模块进程，并使用schedule()调度出去。kthread_create()被唤醒后，设置新线程的名称，并返回到kthread_run中。kthread_run调用wake_up_process()重新唤醒新创建线程，此时新线程才开始运行kthread_run参数中的入口函数。

kthread_run用法例子：

#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kthread.h>

MODULE_AUTHOR("zimu");
MODULE_LICENSE("GPL");

#define CLONE_KERNEL (CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND)

int my_kernel_thread(void *arg)
{ 
   
        int n = 0;

        while(1)
        { 
   
                printk("%s: %d\n",__func__,n++);
                ssleep(3);
        if(kthread_should_stop())
                { 
   
                        break;
                }

        }

        return 0;
}
static int __init practiceCall(void)
{ 
   
        printk("%s:\n",__func__);
        practice_task_p = kthread_run(my_kernel_thread,NULL,"practice task");    

        return 0;
}

static void __exit practiceCallExit(void)
{ 
   
        printk("%s:\n",__func__);
        kthread_stop(practice_task_p);
}

module_init(practiceCall);
module_exit(practiceCallExit);

例子运行后，也是每隔3秒n加1，并且打印出来。卸载模块时，kthread_stop()通知线程退出。

注意：kernel_thread()的参数fn，以及kthread_create()/kthread_run()的参数threadfn即使是一样的函数，只要创建的线程不一样（线程名字不一样），那么fn,threadfn函数在不同的线程里面，运行的空间地址是不一样的。

2.3 退出线程

kthread_stop：通过发送信号给线程，使之退出。 int kthread_stop(struct task_struct *thread);线程一旦启动起来后，会一直运行，除非该线程主动调用do_exit函数，或者其他的进程调用kthread_stop函数，结束线程的运行。但如果线程函数正在处理一个非常重要的任务，它不会被中断的。当然如果线程函数永远不返回并且不检查信号，它将永远都不会停止，因此，线程函数必须能让出CPU，以便能运行其他线程。同时线程函数也必须能重新被调度运行。在例子程序中，这是通过schedule_timeout()函数完成的（下面的例子会看到）。

/** 返回should_stop 标志， 看一下kthread_stop()源码 int kthread_stop(struct task_struct *k) { struct kthread *kthread; int ret; .... ... if (k->vfork_done != NULL) { kthread->should_stop = 1; //should_stop 被置1 wake_up_process(k); wait_for_completion(&kthread->exited);//等待线程结束 } ... */
int kthread_should_stop(void)
{ 
   
    return to_kthread(current)->should_stop;
}

三、linux内核线程示例程序：

static struct task_struct *test_task;

int threadfunc(void *data){ 
   
       …
       while(1){ 
   
              set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);//将当前的状态表示设置为休眠
              if(kthread_should_stop()) break;  //解释见“注意”
              if(){ 
   //条件为真
                     //进行业务处理
              }
              else{ 
   //条件为假
                     //让出CPU运行其他线程，并在指定的时间内重新被调度
                    schedule_timeout(HZ);   // 休眠，与set_current_state配合使用，需要计算，这里表示休眠一秒
              }
       }
       …
       return 0;
}

static inttest_init_module(void)    //驱动加载函数
{ 
   
    int err;
    test_task = kthread_create(threadfunc, NULL, "test_task");
    if(IS_ERR(test_task)){ 
   
     printk("Unable to start kernel thread.\n");
      err = PTR_ERR(test_task);
      test_task =NULL;
      return err;
    }
    wake_up_process(test_task);
    return 0;
}
   
static void test_cleanup_module(void)
{ 
   
           if(test_task){ 
   
               kthread_stop(test_task);
               test_task = NULL;
           }
}

module_exit(test_cleanup_module);
module_init(test_init_module);

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