內核線程

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為什么需要內核線程

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Linux內核可以看作一個服務進程(管理軟硬件資源，響應用戶進程的種種合理以及不合理的請求)。

內核需要多個執(zhí)行流并行，為了防止可能的阻塞，支持多線程是必要的。

內核線程就是內核的分身，一個分身可以處理一件特定事情。內核線程的調度由內核負責，一個內核線程處于阻塞狀態(tài)時不影響其他的內核線程，因為其是調度的基本單位。

這與用戶線程是不一樣的。因為內核線程只運行在內核態(tài)

因此，它只能使用大于PAGE_OFFSET（傳統(tǒng)的x86_32上是3G）的地址空間。

內核線程概述

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內核線程是直接由內核本身啟動的進程。內核線程實際上是將內核函數委托給獨立的進程，它與內核中的其他進程”并行”執(zhí)行。內核線程經常被稱之為內核守護進程。

他們執(zhí)行下列任務

• 周期性地將修改的內存頁與頁來源塊設備同步

• 如果內存頁很少使用，則寫入交換區(qū)

• 管理延時動作,　如２號進程接手內核進程的創(chuàng)建

• 實現文件系統(tǒng)的事務日志

內核線程主要有兩種類型

線程啟動后一直等待，直至內核請求線程執(zhí)行某一特定操作。

線程啟動后按周期性間隔運行，檢測特定資源的使用，在用量超出或低于預置的限制時采取行動。

內核線程由內核自身生成，其特點在于

它們在CPU的管態(tài)執(zhí)行，而不是用戶態(tài)。

它們只可以訪問虛擬地址空間的內核部分（高于TASK_SIZE的所有地址），但不能訪問用戶空間

內核線程的進程描述符task_struct

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task_struct進程描述符中包含兩個跟進程地址空間相關的字段mm, active_mm，

struct task_struct {// ...struct mm_struct *mm;struct mm_struct *avtive_mm;//... };

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大多數計算機上系統(tǒng)的全部虛擬地址空間分為兩個部分: 供用戶態(tài)程序訪問的虛擬地址空間和供內核訪問的內核空間。每當內核執(zhí)行上下文切換時, 虛擬地址空間的用戶層部分都會切換, 以便當前運行的進程匹配, 而內核空間不會放生切換。

對于普通用戶進程來說，mm指向虛擬地址空間的用戶空間部分，而對于內核線程，mm為NULL。

這位優(yōu)化提供了一些余地, 可遵循所謂的惰性TLB處理(lazy TLB handing)。active_mm主要用于優(yōu)化，由于內核線程不與任何特定的用戶層進程相關，內核并不需要倒換虛擬地址空間的用戶層部分，保留舊設置即可。由于內核線程之前可能是任何用戶層進程在執(zhí)行，故用戶空間部分的內容本質上是隨機的，內核線程決不能修改其內容，故將mm設置為NULL，同時如果切換出去的是用戶進程，內核將原來進程的mm存放在新內核線程的active_mm中，因為某些時候內核必須知道用戶空間當前包含了什么。

為什么沒有mm指針的進程稱為惰性TLB進程?

假如內核線程之后運行的進程與之前是同一個, 在這種情況下, 內核并不需要修改用戶空間地址表。地址轉換后備緩沖器(即TLB)中的信息仍然有效。只有在內核線程之后, 執(zhí)行的進程是與此前不同的用戶層進程時, 才需要切換(并對應清除TLB數據)。

內核線程和普通的進程間的區(qū)別在于內核線程沒有獨立的地址空間，mm指針被設置為NULL；它只在 內核空間運行，從來不切換到用戶空間去；并且和普通進程一樣，可以被調度，也可以被搶占。

內核線程的創(chuàng)建

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創(chuàng)建內核線程接口的演變

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內核線程可以通過兩種方式實現：

• 古老的接口 kernel_create和daemonize

  將一個函數傳遞給kernel_thread創(chuàng)建并初始化一個task，該函數接下來負責幫助內核調用daemonize已轉換為內核守護進程，daemonize隨后完成一些列操作, 如該函數釋放其父進程的所有資源，不然這些資源會一直鎖定直到線程結束。阻塞信號的接收, 將init用作守護進程的父進程

• 更加現在的方法kthead_create和kthread_run

  創(chuàng)建內核更常用的方法是輔助函數kthread_create，該函數創(chuàng)建一個新的內核線程。最初線程是停止的，需要使用wake_up_process啟動它。

  使用kthread_run，與kthread_create不同的是，其創(chuàng)建新線程后立即喚醒它，其本質就是先用kthread_create創(chuàng)建一個內核線程，然后通過wake_up_process喚醒它

2號進程kthreadd的誕生

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早期的kernel_create和daemonize接口

在早期的內核中, 提供了kernel_create和daemonize接口, 但是這種機制操作復雜而且將所有的任務交給內核去完成。

但是這種機制低效而且繁瑣, 將所有的操作塞給內核, 我們創(chuàng)建內核線程的初衷不本來就是為了內核分擔工作, 減少內核的開銷的么

Workqueue機制

因此在linux-2.6以后, 提供了更加方便的接口kthead_create和kthread_run, 同時將內核線程的創(chuàng)建操作延后, 交給一個工作隊列workqueue, 參見http://lxr.linux.no/linux+v2.6.13/kernel/kthread.c#L21，

Linux中的workqueue機制就是為了簡化內核線程的創(chuàng)建。通過kthread_create并不真正創(chuàng)建內核線程, 而是將創(chuàng)建工作create work插入到工作隊列helper_wq中, 隨后調用workqueue的接口就能創(chuàng)建內核線程。并且可以根據當前系統(tǒng)CPU的個數創(chuàng)建線程的數量，使得線程處理的事務能夠并行化。workqueue是內核中實現簡單而有效的機制，他顯然簡化了內核daemon的創(chuàng)建，方便了用戶的編程.

工作隊列（workqueue）是另外一種將工作推后執(zhí)行的形式.工作隊列可以把工作推后，交由一個內核線程去執(zhí)行，也就是說，這個下半部分可以在進程上下文中執(zhí)行。最重要的就是工作隊列允許被重新調度甚至是睡眠。

具體的信息, 請參見

Linux workqueue工作原理

2號進程kthreadd

但是這種方法依然看起來不夠優(yōu)美, 我們何不把這種創(chuàng)建內核線程的工作交給一個特殊的內核線程來做呢？

于是linux-2.6.22引入了kthreadd進程, 并隨后演變?yōu)?號進程, 它在系統(tǒng)初始化時同1號進程一起被創(chuàng)建(當然肯定是通過kernel_thread),?參見rest_init函數, 并隨后演變?yōu)閯?chuàng)建內核線程的真正建造師,?參見kthreadd和kthreadd函數, 它會循環(huán)的是查詢工作鏈表static LIST_HEAD(kthread_create_list);中是否有需要被創(chuàng)建的內核線程, 而我們的通過kthread_create執(zhí)行的操作, 只是在內核線程任務隊列kthread_create_list中增加了一個create任務, 然后會喚醒kthreadd進程來執(zhí)行真正的創(chuàng)建操作?

內核線程會出現在系統(tǒng)進程列表中, 但是在ps的輸出中進程名command由方括號包圍, 以便與普通進程區(qū)分。

如下圖所示, 我們可以看到系統(tǒng)中, 所有內核線程都用[]標識, 而且這些進程父進程id均是2, 而2號進程kthreadd的父進程是0號進程

使用ps -eo pid,ppid,command

kernel_thread

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kernel_thread是最基礎的創(chuàng)建內核線程的接口, 它通過將一個函數直接傳遞給內核來創(chuàng)建一個進程, 創(chuàng)建的進程運行在內核空間, 并且與其他進程線程共享內核虛擬地址空間

kernel_thread的實現經歷過很多變革?
早期的kernel_thread執(zhí)行更底層的操作, 直接創(chuàng)建了task_struct并進行初始化,

引入了kthread_create和kthreadd 2號進程后, kernel_thread的實現也由統(tǒng)一的_do_fork(或者早期的do_fork)托管實現

早期實現

早期的內核中, kernel_thread并不是使用統(tǒng)一的do_fork或者_do_fork這一封裝好的接口實現的, 而是使用更底層的細節(jié)

參見

http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/fork.c?v=2.4.37#L613

我們可以看到它內部調用了更加底層的arch_kernel_thread創(chuàng)建了一個線程

arch_kernel_thread

其具體實現請參見

http://lxr.free-electrons.com/ident?v=2.4.37;i=arch_kernel_thread

但是這種方式創(chuàng)建的線程并不適合運行，因此內核提供了daemonize函數, 其聲明在include/linux/sched.h中

// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched.h?v=2.4.37#L800 extern void daemonize(void);

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定義在kernel/sched.c

http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched.c?v=2.4.37#L1326

主要執(zhí)行如下操作

該函數釋放其父進程的所有資源，不然這些資源會一直鎖定直到線程結束。

阻塞信號的接收

將init用作守護進程的父進程

我們可以看到早期內核的很多地方使用了這個接口, 比如

可以參見

http://lxr.free-electrons.com/ident?v=2.4.37;i=daemonize

我們將了這么多kernel_thread, 但是我們并不提倡我們使用它, 因為這個是底層的創(chuàng)建內核線程的操作接口, 使用kernel_thread在內核中執(zhí)行大量的操作, 雖然創(chuàng)建的代價已經很小了, 但是對于追求性能的linux內核來說還不能忍受

因此我們只能說kernel_thread是一個古老的接口, 內核中的有些地方仍然在使用該方法, 將一個函數直接傳遞給內核來創(chuàng)建內核線程

新版本的實現

于是linux-3.x下之后, 有了更好的實現, 那就是

延后內核的創(chuàng)建工作, 將內核線程的創(chuàng)建工作交給一個內核線程來做, 即kthreadd 2號進程

但是在kthreadd還沒創(chuàng)建之前, 我們只能通過kernel_thread這種方式去創(chuàng)建,?

同時kernel_thread的實現也改為由_do_fork(早期內核中是do_fork)來實現, 參見kernel/fork.c

pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags) {return _do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, (unsigned long)fn,(unsigned long)arg, NULL, NULL, 0); }

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kthread_create

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struct task_struct *kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),void *data,int node,const char namefmt[], ...);#define kthread_create(threadfn, data, namefmt, arg...) \kthread_create_on_node(threadfn, data, NUMA_NO_NODE, namefmt, ##arg)

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創(chuàng)建內核更常用的方法是輔助函數kthread_create，該函數創(chuàng)建一個新的內核線程。最初線程是停止的，需要使用wake_up_process啟動它。

kthread_run

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/*** 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; \ })

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使用kthread_run，與kthread_create不同的是，其創(chuàng)建新線程后立即喚醒它，其本質就是先用kthread_create創(chuàng)建一個內核線程，然后通過wake_up_process喚醒它

內核線程的退出

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線程一旦啟動起來后，會一直運行，除非該線程主動調用do_exit函數，或者其他的進程調用kthread_stop函數，結束線程的運行。

int kthread_stop(struct task_struct *thread);

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kthread_stop() 通過發(fā)送信號給線程。

如果線程函數正在處理一個非常重要的任務，它不會被中斷的。當然如果線程函數永遠不返回并且不檢查信號，它將永遠都不會停止。

在執(zhí)行kthread_stop的時候，目標線程必須沒有退出，否則會Oops。原因很容易理解，當目標線程退出的時候，其對應的task結構也變得無效，kthread_stop引用該無效task結構就會出錯。

為了避免這種情況，需要確保線程沒有退出，其方法如代碼中所示：

thread_func() {// do your work here// wait to exitwhile(!thread_could_stop()){wait();} }exit_code() {kthread_stop(_task); //發(fā)信號給task，通知其可以退出了 }

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這種退出機制很溫和，一切盡在thread_func()的掌控之中，線程在退出時可以從容地釋放資源，而不是莫名其妙地被人“暗殺”。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核线程kernel thread详解--Linux进程的管理与调度的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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