Linux 内核进程管理之进程ID

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Linux 3.8 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:

PID:这是 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。

TGID: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,它们处于一个线程组,该线程组的ID叫做TGID。处于相同的线程组中的所有进程都有相同的TGID;线程组组长的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。

PID 命名空间

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,图1 为命名空间的层次关系图。

linux_pid0


图1 命名空间的层次关系

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。

命名空间增大了 PID 管理的复杂性,对于某些进程可能有多个PID——在其自身命名空间的PID以及其父命名空间的PID,凡能看到该进程的命名空间都会为其分配一个PID。因此就有:

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。

进程ID管理数据结构

Linux 内核在设计管理ID的数据结构时,要充分考虑以下因素:

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

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

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_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2。

Linux 内核进程管理之进程ID

图2 一个task_struct对应一个PID

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:

首先通过 PID 计算 pid 挂接到哈希表 pid_hash[] 的表项

遍历该表项,找到 pid 结构体中 nr 值与 PID 值相同的那个 pid

再通过该 pid 结构体的 tasks 指针找到 node

最后根据内核的 container_of 机制就能找到 task_struct 结构体

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。

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。

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