Linux 进程中 Stop, Park, Freeze【转】

转自：https://blog.csdn.net/yiyeguzhou100/article/details/53134743

http://kernel.meizu.com/linux-process-stop.html

在调试内核的时候，经常会碰到几个相近的概念：进程 stop、进程 park、进程 freeze。这几个名词看起来都是停止进程，那么他们之间的区别和应用场景在分别是什么呢？下面就来分析一番。

本文的代码分析基于 Linux kernel 3.18.22，最好的学习方法还是 “RTFSC”

1. 进程 stop

进程 stop 分成两种：用户进程 stop 和内核进程 stop。

用户进程 stop 可以通过给进程发送 STOP 信号来实现，可以参考“Linux Signal”这一篇的描述。但是对内核进程来说不会响应信号，如果碰到需要 stop 内核进程的场景怎么处理？比如：我们在设备打开的时候创建了内核处理进程，在设备关闭的时候需要 stop 内核进程。

Linux 实现了一套 kthread_stop() 的机制来实现内核进程 stop。

1.1 内核进程的创建

内核进程创建过程，是理解本篇的基础。

可以看到 kthread_create() 并不是自己去创建内核进程，而是把创建任务推送给 kthreadd()进程执行。

kthreadd() -> create_kthread() -> kernel_thread() 创建的新进程也不是直接使用用户的函数 threadfn()，而是创建通用函数 kthread()，kthread() 再来调用 threadfn()。

• kernel/kthread.c:

kthread_create

1.2 内核进程的 stop

如果内核进程需要支持 kthread_stop()，需要根据以下框架来写代码。用户在主循环中调用 kthread_should_stop() 来判断当前 kthread 是否需要 stop，如果被 stop 则退出循环。

这种代码为什么不做到通用代码 kthread() 中？这应该是和 Linux 的设计思想相关的。Linux 运行内核态的策略比较灵活，而对用户态的策略更加严格统一。

kthread_should_stop

kthread_should_stop() 和 kthread_stop() 的代码实现：

• kernel/kthread.c:
• kthread_should_stop()/kthread_stop()

1.  
2. bool kthread_should_stop(void)
3. {
4. // (1) 判断进程所在 kthread 结构中的 KTHREAD_SHOULD_STOP 是否被置位
5. return test_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &to_kthread(current)->flags);
6. }
7.  
8. int kthread_stop(struct task_struct *k)
9. {
10. struct kthread *kthread;
11. int ret;
12.  
13. trace_sched_kthread_stop(k);
14.  
15. get_task_struct(k);
16. kthread = to_live_kthread(k);
17. if (kthread) {
18. // (2) 置位进程所在 kthread 结构中的 KTHREAD_SHOULD_STOP
19. set_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &kthread->flags);
20. // (3) unpark & wake_up 进程来响应 stop 信号
21. __kthread_unpark(k, kthread);
22. wake_up_process(k);
23. wait_for_completion(&kthread->exited);
24. }
25. ret = k->exit_code;
26. put_task_struct(k);
27.  
28. trace_sched_kthread_stop_ret(ret);
29. return ret;
30. }

2. 进程 park

smpboot_register_percpu_thread() 用来创建 per_cpu 内核进程，所谓的 per_cpu 进程是指需要在每个 online cpu 上创建线程。比如执行 stop_machine() 中 cpu 同步操作的 migration 进程：

1. shell@:/ $ ps | grep migration
2. root 10 2 0 0 smpboot_th 0000000000 S migration/0
3. root 11 2 0 0 smpboot_th 0000000000 S migration/1
4. root 15 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/2
5. root 19 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/3
6. root 207 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/8
7. root 247 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/4
8. root 251 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/5
9. root 265 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/6
10. root 356 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/7
11. root 2165 2 0 0 __kthread_ 0000000000 R migration/9
12.  

问题来了，既然 per_cpu 进程是和 cpu 绑定的，那么在 cpu hotplug 的时候，进程需要相应的 disable 和 enable。实现的方法可以有多种：

• 动态的销毁和创建线程。缺点是开销比较大。
• 设置进程的 cpu 亲和力 set_cpus_allowed_ptr()。缺点是进程绑定的 cpu 如果被 down 掉，进程会迁移到其他 cpu 继续执行。

为了克服上述方案的缺点，适配 per_cpu 进程的 cpu hotplug 操作，设计了 kthread_park()/kthread_unpark() 机制。

2.1 smpboot_register_percpu_thread()

per_cpu 进程从代码上看，实际也是调用 kthread_create() 来创建的。

• kernel/smpboot.c:
• kernel/kthread.c:

smpboot_register_percpu_thread

我们可以看到 smpboot_register 又增加了一层封装：kthread() -> smpboot_thread_fn() -> ht->thread_fn()，这种封装的使用可以参考 cpu_stop_threads。

• kernel/stop_machine.c:

1. static struct smp_hotplug_thread cpu_stop_threads = {
2. .store = &cpu_stopper_task,
3. .thread_should_run = cpu_stop_should_run,
4. .thread_fn = cpu_stopper_thread,
5. .thread_comm = "migration/%u",
6. .create = cpu_stop_create,
7. .setup = cpu_stop_unpark,
8. .park = cpu_stop_park,
9. .pre_unpark = cpu_stop_unpark,
10. .selfparking = true,
11. };
12.  
13. static int __init cpu_stop_init(void)
14. {
15. unsigned int cpu;
16.  
17. for_each_possible_cpu(cpu) {
18. struct cpu_stopper *stopper = &per_cpu(cpu_stopper, cpu);
19.  
20. spin_lock_init(&stopper->lock);
21. INIT_LIST_HEAD(&stopper->works);
22. }
23.  
24. BUG_ON(smpboot_register_percpu_thread(&cpu_stop_threads));
25. stop_machine_initialized = true;
26. return 0;
27. }

我们可以看到 smpboot_thread_fn() 循环中实现了对 park 的支持，具体实现 kthread_should_park()、kthread_parkme()、kthread_park()、kthread_unpark() 的代码分析：

• kernel/kthread.c:

1. bool kthread_should_park(void)
2. {
3. // (1) 判断进程所在 kthread 结构中的 KTHREAD_SHOULD_PARK 是否被置位
4. return test_bit(KTHREAD_SHOULD_PARK, &to_kthread(current)->flags);
5. }
6.  
7. void kthread_parkme(void)
8. {
9. __kthread_parkme(to_kthread(current));
10. }
11. | →
12. static void __kthread_parkme(struct kthread *self)
13. {
14. // (2) 如果当前进程的 KTHREAD_SHOULD_PARK 标志被置位 ,
15. // 将当前进程进入 TASK_PARKED 的阻塞状态。
16. // 如果 KTHREAD_SHOULD_PARK 不清除，
17. // 就算被 wake_up 唤醒还是会循环进入 TASK_PARKED 的阻塞状态。
18. __set_current_state(TASK_PARKED);
19. while (test_bit(KTHREAD_SHOULD_PARK, &self->flags)) {
20. if (!test_and_set_bit(KTHREAD_IS_PARKED, &self->flags))
21. complete(&self->parked);
22. schedule();
23. __set_current_state(TASK_PARKED);
24. }
25. clear_bit(KTHREAD_IS_PARKED, &self->flags);
26. __set_current_state(TASK_RUNNING);
27. }
28.  
29. int kthread_park(struct task_struct *k)
30. {
31. struct kthread *kthread = to_live_kthread(k);
32. int ret = -ENOSYS;
33.  
34. if (kthread) {
35. // (3) 设置 KTHREAD_IS_PARKED 标志位，并且唤醒进程进入 park 状态
36. if (!test_bit(KTHREAD_IS_PARKED, &kthread->flags)) {
37. set_bit(KTHREAD_SHOULD_PARK, &kthread->flags);
38. if (k != current) {
39. wake_up_process(k);
40. wait_for_completion(&kthread->parked);
41. }
42. }
43. ret = 0;
44. }
45. return ret;
46. }
47.  
48. void kthread_unpark(struct task_struct *k)
49. {
50. struct kthread *kthread = to_live_kthread(k);
51.  
52. if (kthread)
53. __kthread_unpark(k, kthread);
54. }
55. | →
56. static void __kthread_unpark(struct task_struct *k, struct kthread *kthread)
57. {
58. // (4) 清除 KTHREAD_IS_PARKED 标志位
59. clear_bit(KTHREAD_SHOULD_PARK, &kthread->flags);
60. /*
61. * We clear the IS_PARKED bit here as we don't wait
62. * until the task has left the park code. So if we'd
63. * park before that happens we'd see the IS_PARKED bit
64. * which might be about to be cleared.
65. */
66. // 如果进程已经被 park，并且 wake_up 唤醒进程
67. if (test_and_clear_bit(KTHREAD_IS_PARKED, &kthread->flags)) {
68. // 如果是 per_cpu 进程，重新绑定进程 cpu
69. if (test_bit(KTHREAD_IS_PER_CPU, &kthread->flags))
70. __kthread_bind(k, kthread->cpu, TASK_PARKED);
71. wake_up_state(k, TASK_PARKED);
72. }
73. }
74.  

2.2 cpu hotplug 支持

我们前面说到 park 机制的主要目的是为了 per_cpu 进程支持 cpu hotplug，具体怎么响应热插拔事件呢？

• kernel/smpboot.c:

park_hotplug

3. 进程 freeze

在系统进入 suspend 的时候，会尝试冻住一些进程，以避免一些进程无关操作影响系统的 suspend 状态。主要的流程如下：

• kernel/power/suspend.c:

suspend_freeze_processes

这 suspend_freeze 里面判断当前在那个阶段，有 3 个重要的变量：

• system_freezing_cnt - >0 表示系统全局的 freeze 开始；
• pm_freezing - =true 表示用户进程 freeze 开始；
• pm_nosig_freezing - =true 表示内核进程 freeze 开始；

具体代码分析如下：

• kernel/power/process.c:
• kernel/freezer.c:
• suspend_freeze_processes() -> freeze_processes() -> try_to_freeze_tasks() -> freeze_task()

1.  
2. int freeze_processes(void)
3. {
4. int error;
5. int oom_kills_saved;
6.  
7. error = __usermodehelper_disable(UMH_FREEZING);
8. if (error)
9. return error;
10.  
11. // (1) 置位 PF_SUSPEND_TASK，确保当前进程不会被 freeze
12. /* Make sure this task doesn't get frozen */
13. current->flags |= PF_SUSPEND_TASK;
14.  
15. // (2) 使用全局 freeze 标志 system_freezing_cnt
16. if (!pm_freezing)
17. atomic_inc(&system_freezing_cnt);
18.  
19. pm_wakeup_clear();
20. printk("Freezing user space processes ... ");
21. // (3) 使用用户进程 freeze 标志 pm_freezing
22. pm_freezing = true;
23. oom_kills_saved = oom_kills_count();
24. // (4) freeze user_only 进程
25. // 判断进程是否可以被 freeze，唤醒进程 freeze 自己
26. error = try_to_freeze_tasks(true);
27. if (!error) {
28. __usermodehelper_set_disable_depth(UMH_DISABLED);
29. oom_killer_disable();
30.  
31. /*
32. * There might have been an OOM kill while we were
33. * freezing tasks and the killed task might be still
34. * on the way out so we have to double check for race.
35. */
36. if (oom_kills_count() != oom_kills_saved &&
37. !check_frozen_processes()) {
38. __usermodehelper_set_disable_depth(UMH_ENABLED);
39. printk("OOM in progress.");
40. error = -EBUSY;
41. } else {
42. printk("done.");
43. }
44. }
45. printk("\n");
46. BUG_ON(in_atomic());
47.  
48. if (error)
49. thaw_processes();
50. return error;
51. }
52. | →
53. static int try_to_freeze_tasks(bool user_only)
54. {
55. struct task_struct *g, *p;
56. unsigned long end_time;
57. unsigned int todo;
58. bool wq_busy = false;
59. struct timeval start, end;
60. u64 elapsed_msecs64;
61. unsigned int elapsed_msecs;
62. bool wakeup = false;
63. int sleep_usecs = USEC_PER_MSEC;
64. #ifdef CONFIG_PM_SLEEP
65. char suspend_abort[MAX_SUSPEND_ABORT_LEN];
66. #endif
67. do_gettimeofday(&start);
68.  
69. end_time = jiffies + msecs_to_jiffies(freeze_timeout_msecs);
70.  
71. // (4.1) 如果是 kernel freeze，
72. // 停工有 WQ_FREEZABLE 标志的 workqueue
73. // 将 wq 的 pwq->max_active 设置成 0，新的 work 不能被执行
74. if (!user_only)
75. freeze_workqueues_begin();
76.  
77. while (true) {
78. todo = 0;
79. read_lock(&tasklist_lock);
80. // (4.2) 对每个进程执行 freeze_task()
81. for_each_process_thread(g, p) {
82. if (p == current || !freeze_task(p))
83. continue;
84.  
85. if (!freezer_should_skip(p))
86. todo++;
87. }
88. read_unlock(&tasklist_lock);
89.  
90. // (4.3) 如果是 kernel freeze，
91. // 判断停工的 workqueue 中残留的 work 有没有执行完
92. if (!user_only) {
93. wq_busy = freeze_workqueues_busy();
94. todo += wq_busy;
95. }
96.  
97. if (!todo || time_after(jiffies, end_time))
98. break;
99.  
100. if (pm_wakeup_pending()) {
101. #ifdef CONFIG_PM_SLEEP
102. pm_get_active_wakeup_sources(suspend_abort,
103. MAX_SUSPEND_ABORT_LEN);
104. log_suspend_abort_reason(suspend_abort);
105. #endif
106. wakeup = true;
107. break;
108. }
109.  
110. /*
111. * We need to retry, but first give the freezing tasks some
112. * time to enter the refrigerator. Start with an initial
113. * 1 ms sleep followed by exponential backoff until 8 ms.
114. */
115. usleep_range(sleep_usecs / 2, sleep_usecs);
116. if (sleep_usecs < 8 * USEC_PER_MSEC)
117. sleep_usecs *= 2;
118. }
119.  
120. do_gettimeofday(&end);
121. elapsed_msecs64 = timeval_to_ns(&end) - timeval_to_ns(&start);
122. do_div(elapsed_msecs64, NSEC_PER_MSEC);
123. elapsed_msecs = elapsed_msecs64;
124.  
125. if (wakeup) {
126. printk("\n");
127. printk(KERN_ERR "Freezing of tasks aborted after %d.%03d seconds",
128. elapsed_msecs / 1000, elapsed_msecs % 1000);
129. } else if (todo) {
130. printk("\n");
131. printk(KERN_ERR "Freezing of tasks failed after %d.%03d seconds"
132. " (%d tasks refusing to freeze, wq_busy=%d):\n",
133. elapsed_msecs / 1000, elapsed_msecs % 1000,
134. todo - wq_busy, wq_busy);
135.  
136. read_lock(&tasklist_lock);
137. for_each_process_thread(g, p) {
138. if (p != current && !freezer_should_skip(p)
139. && freezing(p) && !frozen(p))
140. sched_show_task(p);
141. }
142. read_unlock(&tasklist_lock);
143. } else {
144. printk("(elapsed %d.%03d seconds) ", elapsed_msecs / 1000,
145. elapsed_msecs % 1000);
146. }
147.  
148. return todo ? -EBUSY : 0;
149. }
150. || →
151. bool freeze_task(struct task_struct *p)
152. {
153. unsigned long flags;
154.  
155. /*
156. * This check can race with freezer_do_not_count, but worst case that
157. * will result in an extra wakeup being sent to the task. It does not
158. * race with freezer_count(), the barriers in freezer_count() and
159. * freezer_should_skip() ensure that either freezer_count() sees
160. * freezing == true in try_to_freeze() and freezes, or
161. * freezer_should_skip() sees !PF_FREEZE_SKIP and freezes the task
162. * normally.
163. */
164. if (freezer_should_skip(p))
165. return false;
166.  
167. spin_lock_irqsave(&freezer_lock, flags);
168. // (4.2.1) 检查当前进程是否可以被 freeze，
169. // 或者是否已经被 freeze
170. if (!freezing(p) || frozen(p)) {
171. spin_unlock_irqrestore(&freezer_lock, flags);
172. return false;
173. }
174.  
175. // (4.2.2) 如果是用户进程，伪造一个 signal 发送给进程
176. if (!(p->flags & PF_KTHREAD))
177. fake_signal_wake_up(p);
178. // (4.2.3) 如果是内核进程，wake_up 内核进程
179. else
180. wake_up_state(p, TASK_INTERRUPTIBLE);
181.  
182. spin_unlock_irqrestore(&freezer_lock, flags);
183. return true;
184. }
185. ||| →
186. static inline bool freezing(struct task_struct *p)
187. { 具体代码分析如下：
188.  
189. - kernel/power/process.c:
190. - kernel/freezer.c:
191. // 如果 system_freezing_cnt 为 0，说明全局 freeze 还没有开始
192. if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt)))
193. return false;
194. return freezing_slow_path(p);
195. }
196. |||| →
197. bool freezing_slow_path(struct task_struct *p)
198. {
199. // (PF_NOFREEZE | PF_SUSPEND_TASK) 当前进程不能被 freeze
200. if (p->flags & (PF_NOFREEZE | PF_SUSPEND_TASK))
201. return false;
202.  
203. if (test_thread_flag(TIF_MEMDIE))
204. return false;
205.  
206. // 如果 pm_nosig_freezing 为 true，内核进程 freeze 已经开始，
207. // 当前进程可以被 freeze
208. if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p))
209. return true;
210.  
211. // 如果 pm_freezing 为 true，且当前进程为用户进程
212. // 当前进程可以被 freeze
213. if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD))
214. return true;
215.  
216. return false;
217. }

3.1 用户进程 freeze

freeze 用户态的进程利用了 signal 机制，系统 suspend 使能了 suspend 以后，调用 fake_signal_wake_up() 伪造一个信号唤醒进程，进程在 ret_to_user() -> do_notify_resume() -> do_signal() -> get_signal() -> try_to_freeze() 中 freeze 自己。

具体代码分析如下：

• kernel/freezer.c:

1. static inline bool try_to_freeze(void)
2. {
3. if (!(current->flags & PF_NOFREEZE))
4. debug_check_no_locks_held();
5. return try_to_freeze_unsafe();
6. }
7. | →
8. static inline bool try_to_freeze_unsafe(void)
9. {
10. might_sleep();
11. // 当前进程是否可以被 freeze
12. if (likely(!freezing(current)))
13. return false;
14. // 调用 __refrigerator() freeze 当前进程
15. return __refrigerator(false);
16. }
17. || →
18. bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)
19. {
20. /* Hmm, should we be allowed to suspend when there are realtime
21. processes around? */
22. bool was_frozen = false;
23. long save = current->state;
24.  
25. pr_debug("%s entered refrigerator\n", current->comm);
26.  
27. for (;;) {
28. // (1) 设置当前进程进入 TASK_UNINTERRUPTIBLE 阻塞状态
29. set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
30.  
31. spin_lock_irq(&freezer_lock);
32. // (2) 设置已经 freeze 标志 PF_FROZEN
33. current->flags |= PF_FROZEN;
34. // (3) 如果当前进程已经不是 freeze 状态，
35. // 退出 freeze
36. if (!freezing(current) ||
37. (check_kthr_stop && kthread_should_stop()))
38. current->flags &= ~PF_FROZEN;
39. spin_unlock_irq(&freezer_lock);
40.  
41. if (!(current->flags & PF_FROZEN))
42. break;
43. was_frozen = true;
44. schedule();
45. }
46.  
47. pr_debug("%s left refrigerator\n", current->comm);
48.  
49. /*
50. * Restore saved task state before returning. The mb'd version
51. * needs to be used; otherwise, it might silently break
52. * synchronization which depends on ordered task state change.
53. */
54. set_current_state(save);
55.  
56. return was_frozen;
57. }

3.2 内核进程 freeze

内核进程对 freeze 的响应，有两个问题：

• wake_up_state(p, TASK_INTERRUPTIBLE) 能唤醒哪些内核进程。
• 内核进程怎么样来响应 freeze 状态，怎么样来 freeze 自己。

如果进程阻塞在信号量、mutex 等内核同步机制上，wake_up_state 并不能解除阻塞。因为这些机制都有 while(1) 循环来判断条件，是否成立，不成立只是简单的唤醒随即又会进入阻塞睡眠状态。

• kernel/locking/mutex.c:
• mutex_lock() -> __mutex_lock_common()

1. __mutex_lock_common(struct mutex *lock, long state, unsigned int subclass,
2. struct lockdep_map *nest_lock, unsigned long ip,
3. struct ww_acquire_ctx *ww_ctx, const bool use_ww_ctx)
4. {
5.  
6. for (;;) {
7. /*
8. * Lets try to take the lock again - this is needed even if
9. * we get here for the first time (shortly after failing to
10. * acquire the lock), to make sure that we get a wakeup once
11. * it's unlocked. Later on, if we sleep, this is the
12. * operation that gives us the lock. We xchg it to -1, so
13. * that when we release the lock, we properly wake up the
14. * other waiters. We only attempt the xchg if the count is
15. * non-negative in order to avoid unnecessary xchg operations:
16. */
17. // (1) 如果 mutex_lock 条件成立，才退出
18. if (atomic_read(&lock->count) >= 0 &&
19. (atomic_xchg(&lock->count, -1) == 1))
20. break;
21.  
22. // (2) 如果如果有信号阻塞，也退出
23. /*
24. * got a signal? (This code gets eliminated in the
25. * TASK_UNINTERRUPTIBLE case.)
26. */
27. if (unlikely(signal_pending_state(state, task))) {
28. ret = -EINTR;
29. goto err;
30. }
31.  
32. if (use_ww_ctx && ww_ctx->acquired > 0) {
33. ret = __mutex_lock_check_stamp(lock, ww_ctx);
34. if (ret)
35. goto err;
36. }
37.  
38. // (3) 否则继续进入阻塞休眠状态
39. __set_task_state(task, state);
40.  
41. /* didn't get the lock, go to sleep: */
42. spin_unlock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
43. schedule_preempt_disabled();
44. spin_lock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
45. }
46.  
47. }

所以 wake_up_state() 只能唤醒这种简单阻塞的内核进程，而对于阻塞在内核同步机制上是无能无力的：

1. void user_thread()
2. {
3. while(1)
4. {
5. set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
6. schedule();
7.  
8. }
9. }

内核进程响应 freeze 操作，也必须显式的调用 try_to_freeze() 或者 kthread_freezable_should_stop() 来 freeze 自己：

1. void user_thread()
2. {
3. while (!kthread_should_stop()) {
4.  
5. try_to_freeze();
6.  
7. }
8. }

所以从代码逻辑上看内核进程 freeze，并不会 freeze 所有内核进程，只 freeze 了 2 部分：一部分是设置了 WQ_FREEZABLE 标志的 workqueue，另一部分是内核进程主动调用 try_to_freeze() 并且在架构上设计的可以响应 freeze。

附：

static int
kthread(void *vp)
{
struct ktstate *k;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
int more;
k = vp;
current->flags |= PF_NOFREEZE;
set_user_nice(current, -10); //内核线程默认优先级
complete(&k->rendez);/* tell spawner we're running */
do {
spin_lock_irq(k->lock);
more = k->fn();
if (!more) {
add_wait_queue(k->waitq, &wait);
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}
spin_unlock_irq(k->lock);
if (!more) {
schedule();
remove_wait_queue(k->waitq, &wait);
} else
cond_resched();
} while (!kthread_should_stop());
complete(&k->rendez);/* tell spawner we're stopping */
return 0;
}