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https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers.git
synced 2026-09-22 04:33:37 +08:00
...
This commit is contained in:
gatieme
@@ -1,31 +1,40 @@
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Linux下0号进程idel
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Linux下0号进程idle
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| 日期 | 内核版本 | 架构| 作者 | GitHub| CSDN |
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| 2016-05-12 | [Linux-4.5](http://lxr.free-electrons.com/source/?v=4.5) | X86 & arm | [gatieme](http://blog.csdn.net/gatieme) | [LinuxDeviceDrivers](https://github.com/gatieme/LDD-LinuxDeviceDrivers) | [Linux-进程管理与调度](http://blog.csdn.net/gatieme/article/category/6225543) |
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#0号进程idel
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<font color=0x009966>Linux下有两个特殊的进程，idel进程($PID = 0$)和init进程($PID = 1$)
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<font color=0x009966>Linux下有3个特殊的进程，idle进程($PID = 0$), init进程($PID = 1$)和kthreadd($PID = 2$)
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<font color=#A52A2A>
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* idel进程由系统自动创建, 运行在内核态
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* idle进程由系统自动创建, 运行在内核态
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</font>
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idle进程其pid=0，其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换
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idle进程其pid=0，其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换
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<font color=#A52A2A>
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* init进程由idel创建,
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* init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终用户空间
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</font>
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由0进程创建，完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程
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Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。
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<font color=#A52A2A>
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* kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理
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</font>
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它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程
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</font>
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系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。整个linux系统的所有进程也是一个树形结构。**树根是系统自动构造的(或者说是由内核黑客手动创建的)**，即在内核态下执行的0号进程，它是所有进程的远古先祖。
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@@ -34,7 +43,7 @@ Linux下0号进程idel
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#idel的创建
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#idle的创建
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在smp系统中，每个处理器单元有独立的一个运行队列，而每个运行队列上又有一个idle进程，即有多少处理器单元，就有多少idle进程。
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@@ -44,7 +53,9 @@ Linux下0号进程idel
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我们知道系统是从BIOS加电自检，载入MBR中的引导程序(LILO/GRUB),再加载linux内核开始运行的，一直到指定shell开始运行告一段落，这时用户开始操作Linux。
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#0号进程上下文信息--init_task描述符
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##0号进程上下文信息--init_task描述符
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@@ -52,16 +63,23 @@ Linux下0号进程idel
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* **内核init线程**，最终执行/sbin/init进程，变为所有用户态程序的根进程（pstree命令显示）,即用户空间的init进程
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开始的init是有kthread_thread创建的内核线程, 他在完成初始化工作后, 转向用户空间, 并且生成所有用户进程的祖先
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* **内核kthreadd内核线程**，变为所有内核态其他守护线程的父线程。
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所以<font color=0x009966>**init_task决定了系统所有进程、线程的基因, 它完成初始化后, 最终演变为0号进程idel, 并且运行在内核态**</font>
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它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程
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所以<font color=0x009966>**init_task决定了系统所有进程、线程的基因, 它完成初始化后, 最终演变为0号进程idle, 并且运行在内核态**</font>
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内核在初始化过程中，当创建完init和kthreadd内核线程后，内核会发生调度执行，此时内核将使用该init_task作为其task_struct结构体描述符，当系统无事可做时，会调度其执行， 此时该内核会变为idle进程，让出CPU，自己进入睡眠，不停的循环，查看init_task结构体，其comm字段为swapper，作为idle进程的描述符。
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>0号线程idel的优先级为120，从#define INIT_TASK(tsk)中可以看出。
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>idle的运行时机
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>
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>这也就决定了，其优先级足够低, 以保证其他用户进程或者系统线程会被优先调度
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>idle 进程优先级为MAX_PRIO-20。早先版本中，idle是参与调度的，所以将其优先级设低点，当没有其他进程可以运行时，才会调度执行 idle。而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度，而是在运行队列结构中含idle指针，指向idle进程，在调度器发现运行队列为空的时候运行，调入运行
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简言之, **内核中init_task变量就是是进程0使用的进程描述符**，也是Linux系统中第一个进程描述符，init_task并不是系统通过kernel_thread的方式（当然更不可能是fork）创建的, 而是由内核黑客静态创建的.
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@@ -85,7 +103,7 @@ init_task是Linux内核中的第一个线程，它贯穿于整个Linux系统的
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>备注：core0上的idle进程由init_task进程退化而来，而AP的idle进程则是BSP在后面调用fork()函数逐个创建的
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##进程堆栈init_thread_union
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###进程堆栈init_thread_union
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init_task进程使用init_thread_union数据结构描述的内存区域作为该进程的堆栈空间，并且和自身的thread_info参数公用这一内存空间空间，
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@@ -145,9 +163,23 @@ cat System.map-3.1.6 | grep init_thread_union
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#进程内存空间
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###进程内存空间
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init_task的虚拟地址空间，也采用同样的方法被定义
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由于init_task是一个运行在内核空间的内核线程, 因此其虚地址段mm为NULL, 但是必要时他还是需要使用虚拟地址的，因此avtive_mm被设置为init_mm
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> 参见
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>
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> http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/init_task.h?v=4.5#L202
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```c
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.mm = NULL, \
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.active_mm = &init_mm, \
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```
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其中init_mm被定义为init-mm.c中，参见 http://lxr.free-electrons.com/source/mm/init-mm.c?v=4.5#L16
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```c
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struct mm_struct init_mm = {
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||||
.mm_rb = RB_ROOT,
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.pgd = swapper_pg_dir,
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@@ -160,8 +192,10 @@ struct mm_struct init_mm = {
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};
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```
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#0号进程的演化
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#rest_init
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##rest_init创建init进程(PID =1)和kthread进程(PID=2)
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Linux在无进程概念的情况下将一直从初始化部分的代码执行到start_kernel，然后再到其最后一个函数调用rest_init
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@@ -220,7 +254,7 @@ static noinline void __init_refok rest_init(void)
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5. 调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。
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##创建kernel_init
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###创建kernel_init
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在rest_init函数中，内核将通过下面的代码产生第一个真正的进程(pid=1):
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@@ -239,7 +273,7 @@ kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
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关于init其他的信息我们这次先不研究，因为我们这篇旨在探究0号进程的详细过程，
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##创建kthreadd
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###创建kthreadd
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在rest_init函数中，内核将通过下面的代码产生第一个kthreadd(pid=2)
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@@ -247,8 +281,10 @@ kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
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pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
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```
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它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程
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##0号进程演变为idel
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##0号进程演变为idle
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-------
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```c
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@@ -321,30 +357,120 @@ cpu_startup_entry定义在[kernel/sched/idle.c](http://lxr.free-electrons.com/so
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}
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```
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其中cpu_idel_loop就是idel进程的事件循环，定义在[kernel/sched/idle.c](http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched/idle.c?v=4.5#L203)
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其中cpu_idle_loop就是idle进程的事件循环，定义在[kernel/sched/idle.c](http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched/idle.c?v=4.5#L203)
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整个过程简单的说就是，原始进程(pid=0)创建init进程(pid=1),然后演化成idle进程(pid=0)。init进程为每个从处理器(运行队列)创建出一个idle进程(pid=0)，然后演化成/sbin/init。
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3. idle的运行时机
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idle 进程优先级为MAX_PRIO，即最低优先级。早先版本中，idle是参与调度的，所以将其优先级设为最低，当没有其他进程可以运行时，才会调度执行 idle。而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度，而是在运行队列结构中含idle指针，指向idle进程，在调度器发现运行队列为空的时候运行，调入运行。
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#idle的运行与调度
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4. idle的workload
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从上面的分析我们可以看出，idle在系统没有其他就绪的进程可执行的时候才会被调度。不管是主处理器，还是从处理器，最后都是执行的cpu_idle()函数。所以我们来看看cpu_idle做了什么事情。
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##idle的workload--cpu_idle_loop
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因为idle进程中并不执行什么有意义的任务，所以通常考虑的是两点：1.节能，2.低退出延迟。
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从上面的分析我们知道，idle在系统没有其他就绪的进程可执行的时候才会被调度。不管是主处理器，还是从处理器，最后都是执行的cpu_idle_loop()函数
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其核心代码如下：
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其中cpu_idle_loop就是idle进程的事件循环，定义在[kernel/sched/idle.c](http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched/idle.c?v=4.5#L203)，早期的版本中提供的是[cpu_idle](http://lxr.free-electrons.com/ident?v=3.9;i=cpu_idle)，但是这个函数是完全依赖于体系结构的，不利用架构的分层，因此在新的内核中更新为更加通用的cpu_idle_loop，由他来调用体系结构相关的代码
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void cpu_idle(void) { int cpu = smp_processor_id(); current_thread_info()->status |= TS_POLLING; /* endless idle loop with no priority at all */ while (1) { tick_nohz_stop_sched_tick(1); while (!need_resched()) { check_pgt_cache(); rmb(); if (rcu_pending(cpu)) rcu_check_callbacks(cpu, 0); if (cpu_is_offline(cpu)) play_dead(); local_irq_disable(); __get_cpu_var(irq_stat).idle_timestamp = jiffies; /* Don't trace irqs off for idle */ stop_critical_timings(); pm_idle(); start_critical_timings(); } tick_nohz_restart_sched_tick(); preempt_enable_no_resched(); schedule(); preempt_disable(); } }
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所以我们来看看cpu_idle_loop做了什么事情。
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循环判断need_resched以降低退出延迟，用idle()来节能。
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因为idle进程中并不执行什么有意义的任务，所以通常考虑的是两点
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1. 节能
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2. 低退出延迟。
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其代码如下
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```c
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/*
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* Generic idle loop implementation
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*
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* Called with polling cleared.
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*/
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static void cpu_idle_loop(void)
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{
|
||||
while (1) {
|
||||
/*
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||||
* If the arch has a polling bit, we maintain an invariant:
|
||||
*
|
||||
* Our polling bit is clear if we're not scheduled (i.e. if
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* rq->curr != rq->idle). This means that, if rq->idle has
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* the polling bit set, then setting need_resched is
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* guaranteed to cause the cpu to reschedule.
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*/
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__current_set_polling();
|
||||
quiet_vmstat();
|
||||
tick_nohz_idle_enter();
|
||||
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||||
while (!need_resched()) {
|
||||
check_pgt_cache();
|
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rmb();
|
||||
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||||
if (cpu_is_offline(smp_processor_id())) {
|
||||
rcu_cpu_notify(NULL, CPU_DYING_IDLE,
|
||||
(void *)(long)smp_processor_id());
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||||
smp_mb(); /* all activity before dead. */
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||||
this_cpu_write(cpu_dead_idle, true);
|
||||
arch_cpu_idle_dead();
|
||||
}
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||||
|
||||
local_irq_disable();
|
||||
arch_cpu_idle_enter();
|
||||
|
||||
/*
|
||||
* In poll mode we reenable interrupts and spin.
|
||||
*
|
||||
* Also if we detected in the wakeup from idle
|
||||
* path that the tick broadcast device expired
|
||||
* for us, we don't want to go deep idle as we
|
||||
* know that the IPI is going to arrive right
|
||||
* away
|
||||
*/
|
||||
if (cpu_idle_force_poll || tick_check_broadcast_expired())
|
||||
cpu_idle_poll();
|
||||
else
|
||||
cpuidle_idle_call();
|
||||
|
||||
arch_cpu_idle_exit();
|
||||
}
|
||||
|
||||
/*
|
||||
* Since we fell out of the loop above, we know
|
||||
* TIF_NEED_RESCHED must be set, propagate it into
|
||||
* PREEMPT_NEED_RESCHED.
|
||||
*
|
||||
* This is required because for polling idle loops we will
|
||||
* not have had an IPI to fold the state for us.
|
||||
*/
|
||||
preempt_set_need_resched();
|
||||
tick_nohz_idle_exit();
|
||||
__current_clr_polling();
|
||||
|
||||
/*
|
||||
* We promise to call sched_ttwu_pending and reschedule
|
||||
* if need_resched is set while polling is set. That
|
||||
* means that clearing polling needs to be visible
|
||||
* before doing these things.
|
||||
*/
|
||||
smp_mb__after_atomic();
|
||||
|
||||
sched_ttwu_pending();
|
||||
schedule_preempt_disabled();
|
||||
}
|
||||
}
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```
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循环判断need_resched以降低退出延迟，用idle()来节能。
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默认的idle实现是hlt指令，hlt指令使CPU处于暂停状态，等待硬件中断发生的时候恢复，从而达到节能的目的。即从处理器C0态变到 C1态(见 ACPI标准)。这也是早些年windows平台上各种"处理器降温"工具的主要手段。当然idle也可以是在别的ACPI或者APM模块中定义的，甚至是自定义的一个idle(比如说nop)。
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默认的idle实现是hlt指令，hlt指令使CPU处于暂停状态，等待硬件中断发生的时候恢复，从而达到节能的目的。即从处理器C0态变到 C1态(见 ACPI标准)。这也是早些年windows平台上各种"处理器降温"工具的主要手段。当然idle也可以是在别的ACPI或者APM模块中定义的，甚至是自定义的一个idle(比如说nop)。
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小结:
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1.idle是一个进程，其pid为0。
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@@ -356,3 +482,42 @@ cpu_startup_entry定义在[kernel/sched/idle.c](http://lxr.free-electrons.com/so
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希望通过本文你能全面了解linux内核中idle知识。
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##idle的调度和运行时机
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我们知道, linux进程的调度顺序是按照 rt实时进程(rt调度器), normal普通进程(cfs调度器)，和idel的顺序来调度的
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那么可以试想如果rt和cfs都没有可以运行的任务，那么idle才可以被调度，那么他是通过怎样的方式实现的呢？
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由于我们还没有讲解调度器的知识, 所有我们只是简单讲解一下
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在normal的调度类,cfs公平调度器[sched_fair.c](http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched/fair.c?v=4.5#L8408)中, 我们可以看到
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```c
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static const struct sched_class fair_sched_class = {
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.next = &idle_sched_class,
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```
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也就是说，如果系统中没有普通进程，那么会选择下个调度类优先级的进程，即使用idle_sched_class调度类进行调度的进程
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当系统空闲的时候，最后就是调用idle的pick_next_task函数，被定义在/kernel/sched/idle_task.c中
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>参见
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>
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>http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/sched/idle_task.c?v=4.5#L27
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```c
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||||
static struct task_struct *pick_next_task_idle(struct rq *rq)
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||||
{
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||||
schedstat_inc(rq, sched_goidle);
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||||
calc_load_account_idle(rq);
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||||
return rq->idle; //可以看到就是返回rq中idle进程。
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||||
}
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||||
```
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||||
这idle进程在启动start_kernel函数的时候调用init_idle函数的时候，把当前进程（0号进程）置为每个rq运行队列的的idle上。
|
||||
```
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||||
rq->curr = rq->idle = idle;
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||||
```
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||||
这里idle就是调用start_kernel函数的进程，就是0号进程。
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Binary file not shown.
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