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Linux下0号进程idel
| 日期 | 内核版本 | 架构 | 作者 | GitHub | CSDN |
|---|---|---|---|---|---|
| 2016-05-12 | Linux-4.5 | X86 & arm | gatieme | LinuxDeviceDrivers | Linux-进程管理与调度 |
#0号进程idel
Linux下有两个特殊的进程，idel进程(PID = 0)和init进程(PID = 1)
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。
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。
#idel的创建
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。
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。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。系统的空闲时间，其实就是指idle进程的"运行时间"。既然是idle是进程，那我们来看看idle是如何被创建，又具体做了哪些事情？
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。
#0号进程上下文信息--init_task描述符
init_task是内核中所有进程、线程的task_struct雏形，在内核初始化过程中，通过静态定义构造出了一个task_struct接口，取名为init_task，然后在内核初始化的后期，通过rest_init（）函数新建了内核init线程，kthreadd内核线程
-
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
-
内核kthreadd内核线程，变为所有内核态其他守护线程的父线程。
所以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
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。
0号线程idel的优先级为120，从#define INIT_TASK(tsk)中可以看出。
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
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.
该进程的描述符在init/init_task中定义，代码片段如下
/* Initial task structure */
struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task);
EXPORT_SYMBOL(init_task);
init_task描述符使用宏INIT_TASK对init_task的进程描述符进行初始化，宏INIT_TASK在include/linux/init_task.h文件中
init_task是Linux内核中的第一个线程，它贯穿于整个Linux系统的初始化过程中，该进程也是Linux系统中唯一一个没有用kernel_thread()函数创建的内核态进程(内核线程)
在init_task进程执行后期，它会调用kernel_thread()函数创建第一个核心进程kernel_init，同时init_task进程继续对Linux系统初始化。在完成初始化后，init_task会退化为cpu_idle进程，当Core 0的就绪队列中没有其它进程时，该进程将会获得CPU运行。新创建的1号进程kernel_init将会逐个启动次CPU,并最终创建用户进程！
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
##进程堆栈init_thread_union
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，
请参见 http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/init_task.h?v=4.5#L193
.stack = &init_thread_info,
而init_thread_info则是一段体系结构相关的定义，被定义在[/arch/对应体系/include/asm/thread_info.h]中，但是他们大多数为如下定义
#define init_thread_info (init_thread_union.thread_info)
#define init_stack (init_thread_union.stack)
其中init_thread_union被定义在init/init_task.c, 紧跟着前面init_task的定义
/*
* Initial thread structure. Alignment of this is handled by a special
* linker map entry.
*/
union thread_union init_thread_union __init_task_data =
{ INIT_THREAD_INFO(init_task) };
我们可以发现init_task是用INIT_THREAD_INFO宏进行初始化的, 这个才是我们真正体系结构相关的部分, 他与init_thread_info定义在一起，被定义在/arch/对应体系/include/asm/thread_info.h中，以下为x86架构的定义
参见
http://lxr.free-electrons.com/source/arch/x86/include/asm/thread_info.h?v=4.5#L65
#define INIT_THREAD_INFO(tsk) \
{ \
.task = &tsk, \
.flags = 0, \
.cpu = 0, \
.addr_limit = KERNEL_DS, \
}
其他体系结构的定义请参见
| 架构 | 定义 |
|---|---|
| x86 | arch/x86/include/asm/thread_info.h |
| arm64 | arch/arm64/include/asm/thread_info.h |
init_thread_info定义中的__init_task_data表明该内核栈所在的区域位于内核映像的init data区，我们可以通过编译完内核后所产生的System.map来看到该变量及其对应的逻辑地址
cat System.map-3.1.6 | grep init_thread_union
#进程内存空间
struct mm_struct init_mm = {
.mm_rb = RB_ROOT,
.pgd = swapper_pg_dir,
.mm_users = ATOMIC_INIT(2),
.mm_count = ATOMIC_INIT(1),
.mmap_sem = __RWSEM_INITIALIZER(init_mm.mmap_sem),
.page_table_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_mm.page_table_lock),
.mmlist = LIST_HEAD_INIT(init_mm.mmlist),
INIT_MM_CONTEXT(init_mm)
};
#rest_init
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
大致是在vmlinux的入口startup_32(head.S)中为pid号为0的原始进程设置了执行环境，然后原是进程开始执行start_kernel()完成Linux内核的初始化工作。包括初始化页表，初始化中断向量表，初始化系统时间等。
从rest_init开始，Linux开始产生进程，因为init_task是静态制造出来的，pid=0，它试图将从最早的汇编代码一直到start_kernel的执行都纳入到init_task进程上下文中。
这个函数其实是由0号进程执行的, 他就是在这个函数中, 创建了init进程和kthreadd进程
这部分代码如下：
参见
static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
int pid;
rcu_scheduler_starting();
smpboot_thread_init();
/*
* 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);
numa_default_policy();
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
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_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}
-
调用kernel_thread()创建1号内核线程, 该线程随后转向用户空间, 演变为init进程
-
调用kernel_thread()创建kthreadd内核线程。
-
init_idle_bootup_task()：当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里调用init_idle_bootup_task()函数，让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数。
-
调用schedule()函数切换当前进程，在调用该函数之前，Linux系统中只有两个进程，即0号进程init_task和1号进程kernel_init，其中kernel_init进程也是刚刚被创建的。调用该函数后，1号进程kernel_init将会运行！
-
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。
##创建kernel_init
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):
kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
这个进程就是着名的pid为1的init进程，它会继续完成剩下的初始化工作，然后execve(/sbin/init), 成为系统中的其他所有进程的祖先。
但是这里我们发现一个问题, init进程应该是一个用户空间的进程, 但是这里却是通过kernel_thread的方式创建的, 哪岂不是式一个永远运行在内核态的内核线程么, 它是怎么演变为真正意义上用户空间的init进程的？
1号kernel_init进程完成linux的各项配置(包括启动AP)后，就会在/sbin,/etc,/bin寻找init程序来运行。该init程序会替换kernel_init进程（注意：并不是创建一个新的进程来运行init程序，而是一次变身，使用sys_execve函数改变核心进程的正文段，将核心进程kernel_init转换成用户进程init），此时处于内核态的1号kernel_init进程将会转换为用户空间内的1号进程init。户进程init将根据/etc/inittab中提供的信息完成应用程序的初始化调用。然后init进程会执行/bin/sh产生shell界面提供给用户来与Linux系统进行交互。
调用init_post()创建用户模式1号进程。
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，
##创建kthreadd
在rest_init函数中，内核将通过下面的代码产生第一个kthreadd(pid=2)
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
##0号进程演变为idel
/*
* 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_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
因此我们回过头来看pid=0的进程，在创建了init进程后，pid=0的进程调用 cpu_idle()演变成了idle进程。
0号进程首先执行init_idle_bootup_task, 让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数。
这个函数被定义在kernel/sched/core.c中，如下
void init_idle_bootup_task(struct task_struct *idle)
{
idle->sched_class = &idle_sched_class;
}
接着通过schedule_preempt_disabled来执行调用schedule()函数切换当前进程，在调用该函数之前，Linux系统中只有两个进程，即0号进程init_task和1号进程kernel_init，其中kernel_init进程也是刚刚被创建的。调用该函数后，1号进程kernel_init将会运行
这个函数被定义在kernel/sched/core.c中，如下
/**
* schedule_preempt_disabled - called with preemption disabled
*
* Returns with preemption disabled. Note: preempt_count must be 1
*/
void __sched schedule_preempt_disabled(void)
{
sched_preempt_enable_no_resched();
schedule();
preempt_disable();
}
最后cpu_startup_entry调用cpu_idle_loop()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查
cpu_startup_entry定义在kernel/sched/idle.c
void cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state)
{
/*
* This #ifdef needs to die, but it's too late in the cycle to
* make this generic (arm and sh have never invoked the canary
* init for the non boot cpus!). Will be fixed in 3.11
*/
#ifdef CONFIG_X86
/*
* If we're the non-boot CPU, nothing set the stack canary up
* for us. The boot CPU already has it initialized but no harm
* in doing it again. This is a good place for updating it, as
* we wont ever return from this function (so the invalid
* canaries already on the stack wont ever trigger).
*/
boot_init_stack_canary();
#endif
arch_cpu_idle_prepare();
cpu_idle_loop();
}
其中cpu_idel_loop就是idel进程的事件循环，定义在kernel/sched/idle.c
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。
3. idle的运行时机
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。
4. idle的workload
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。
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。
其核心代码如下：
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(); } }
循环判断need_resched以降低退出延迟，用idle()来节能。
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)。
小结:
1.idle是一个进程，其pid为0。
2.主处理器上的idle由原始进程(pid=0)演变而来。从处理器上的idle由init进程fork得到，但是它们的pid都为0。
3.Idle进程为最低优先级，且不参与调度，只是在运行队列为空的时候才被调度。
4.Idle循环等待need_resched置位。默认使用hlt节能。
希望通过本文你能全面了解linux内核中idle知识。