Linux的进程ID号如何实现
发布时间：2022-02-26 14:10:21 所属栏目：Linux 来源：互联网
导读：这篇文章主要介绍Linux的进程ID号怎么实现的相关知识，小编通过实际案例向大家展示操作过程，操作方法简单快捷，实用性强，希望这篇Linux的进程ID号怎么实现文章能帮助大家解决问题。 本文中的代码摘自 Linux内核5.15.13版本。 Linux进程总是会分配一个号
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这篇文章主要介绍“Linux的进程ID号怎么实现”的相关知识，小编通过实际案例向大家展示操作过程，操作方法简单快捷，实用性强，希望这篇“Linux的进程ID号怎么实现”文章能帮助大家解决问题。 本文中的代码摘自 Linux内核5.15.13版本。 Linux进程总是会分配一个号码用于在其命名空间中唯一地标识它们。该号码被称作进程ID号，简称PID。用fork或clone产生的每个进程都由内核自动地分配了一个新的唯一的PID值。 一、进程ID 1.1、其他ID 每个进程除了PID这个特征值之外，还有其他的ID。有下列几种可能的类型 1、 处于某个线程组（在一个进程中，以标志CLONE_THREAD来调用clone建立的该进程的不同的执行上下文，我们在后文会看到）中的所有进程都有统一的线程组ID（ TGID）。如果进程没有使用线程，则其PID和TGID相同。线程组中的主进程被称作组长（ group leader）。通过clone创建的所有线程的task_struct的group_leader成员，会指向组长的task_struct实例。 2、另外，独立进程可以合并成进程组（使用setpgrp系统调用）。进程组成员的task_struct的pgrp属性值都是相同的，即进程组组长的PID。进程组简化了向组的所有成员发送信号的操作，这对于各种系统程序设计应用（参见系统程序设计方面的文献，例如［ SR05］）是有用的。请注意，用管道连接的进程包含在同一个进程组中。 3、 几个进程组可以合并成一个会话。会话中的所有进程都有同样的会话ID，保存在task_struct的session成员中。 SID可以使用setsid系统调用设置。它可以用于终端程序设计。 1.2、全局ID和局部ID 名空间增加了PID管理的复杂性。 PID命名空间按层次组织。在建立一个新的命名空间时，该命名空间中的所有PID对父命名空间都是可见的，但子命名空间无法看到父命名空间的PID。但这意味着某些进程具有多个PID，凡可以看到该进程的命名空间，都会为其分配一个PID。 这必须反映在数据结构中。我们必须区分局部ID和全局ID。 1、 全局ID是在内核本身和初始命名空间中的唯一ID号，在系统启动期间开始的init进程即属于初始命名空间。对每个ID类型，都有一个给定的全局ID，保证在整个系统中是唯一的。 2、 局部ID属于某个特定的命名空间，不具备全局有效性。对每个ID类型，它们在所属的命名空间内部有效，但类型相同、值也相同的ID可能出现在不同的命名空间中。 1.3、ID实现 全局PID和TGID直接保存在task_struct中，分别是task_struct的pid和tgid成员，在sched.h文件里： struct task_struct {...pid_t pid;pid_t tgid;...} 这两项都是pid_t类型，该类型定义为__kernel_pid_t，后者由各个体系结构分别定义。通常定义为int，即可以同时使用232个不同的ID。 二、管理PID 一个小型的子系统称之为PID分配器（ pid allocator）用于加速新ID的分配。此外，内核需要提供辅助函数，以实现通过ID及其类型查找进程的task_struct的功能，以及将ID的内核表示形式和用户空间可见的数值进行转换的功能。 2.1、PID命名空间的表示方式 在pid_namespace.h文件内有如下定义： struct pid_namespace { struct idr idr; struct rcu_head rcu; unsigned int pid_allocated; struct task_struct *child_reaper; struct kmem_cache *pid_cachep; unsigned int level; struct pid_namespace *parent;#ifdef CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT struct fs_pin *bacct;#endif struct user_namespace *user_ns; struct ucounts *ucounts; int reboot; /* group exit code if this pidns was rebooted */ struct ns_common ns;} __randomize_layout; 每个PID命名空间都具有一个进程，其发挥的作用相当于全局的init进程。 init的一个目的是对孤儿进程调用wait4，命名空间局部的init变体也必须完成该工作。 child_reaper保存了指向该进程的task_struct的指针。 parent是指向父命名空间的指针， level表示当前命名空间在命名空间层次结构中的深度。初始命名空间的level为0，该命名空间的子空间level为1，下一层的子空间level为2，依次递推。level的计算比较重要，因为level较高的命名空间中的ID，对level较低的命名空间来说是可见的。从给定的level设置，内核即可推断进程会关联到多少个ID。 2.2、PID的管理 2.2.1、PID的数据结构 PID的管理围绕两个数据结构展开： struct pid是内核对PID的内部表示，而struct upid则表示特定的命名空间中可见的信息。两个结构的定义在文件pid.h内，分别如下： /* * What is struct pid? * * A struct pid is the kernel's internal notion of a process identifier. * It refers to inpidual tasks, process groups, and sessions. While * there are processes attached to it the struct pid lives in a hash * table, so it and then the processes that it refers to can be found * quickly from the numeric pid value. The attached processes may be * quickly accessed by following pointers from struct pid. * * Storing pid_t values in the kernel and referring to them later has a * problem. The process originally with that pid may have exited and the * pid allocator wrapped, and another process could have come along * and been assigned that pid. * * Referring to user space processes by holding a reference to struct * task_struct has a problem. When the user space process exits * the now useless task_struct is still kept. A task_struct plus a * stack consumes around 10K of low kernel memory. More precisely * this is THREAD_SIZE + sizeof(struct task_struct). By comparison * a struct pid is about 64 bytes. * * Holding a reference to struct pid solves both of these problems. * It is small so holding a reference does not consume a lot of * resources, and since a new struct pid is allocated when the numeric pid * value is reused (when pids wrap around) we don't mistakenly refer to new * processes. *//* * struct upid is used to get the id of the struct pid, as it is * seen in particular namespace. Later the struct pid is found with * find_pid_ns() using the int nr and struct pid_namespace *ns. */struct upid { int nr; struct pid_namespace *ns;};struct pid{ refcount_t count; unsigned int level; spinlock_t lock; /* lists of tasks that use this pid */ struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; struct hlist_head inodes; /* wait queue for pidfd notifications */ wait_queue_head_t wait_pidfd; struct rcu_head rcu; struct upid numbers[1];}; 对于struct upid， nr表示ID的数值， ns是指向该ID所属的命名空间的指针。所有的upid实例都保存在一个散列表中。 pid_chain用内核的标准方法实现了散列溢出链表。struct pid的定义首先是一个引用计数器count。 tasks是一个数组，每个数组项都是一个散列表头，对应于一个ID类型。这样做是必要的，因为一个ID可能用于几个进程。所有共享同一给定ID的task_struct实例，都通过该列表连接起来。 PIDTYPE_MAX表示ID类型的数目： enum pid_type{ PIDTYPE_PID, PIDTYPE_TGID, PIDTYPE_PGID, PIDTYPE_SID, PIDTYPE_MAX,}; 2.2.2、PID与进程的联系 一个进程可能在多个命名空间中可见，而其在各个命名空间中的局部ID各不相同。 level表示可以看到该进程的命名空间的数目（换言之，即包含该进程的命名空间在命名空间层次结构中的深度），而numbers是一个upid实例的数组，每个数组项都对应于一个命名空间。注意该数组形式上只有一个数组项，如果一个进程只包含在全局命名空间中，那么确实如此。由于该数组位于结构的末尾，因此只要分配更多的内存空间，即可向数组添加附加的项。 由于所有共享同一ID的task_struct实例都按进程存储在一个散列表中，因此需要在struct task_struct中增加一个散列表元素在sched.h文件内进程的结构头定义内有 struct task_struct {... /* PID/PID hash table linkage. */ struct pid *thread_pid; struct hlist_node pid_links[PIDTYPE_MAX]; struct list_head thread_group; struct list_head thread_node;...}; 将task_struct连接到表头在pid_links中的散列表上。 2.2.3、查找PID 假如已经分配了struct pid的一个新实例，并设置用于给定的ID类型。它会如下附加到task_struct，在kernel/pid.c文件内： static struct pid **task_pid_ptr(struct task_struct *task, enum pid_type type){ return (type == PIDTYPE_PID) ? &task->thread_pid : &task->signal->pids[type];}/* * attach_pid() must be called with the tasklist_lock write-held. */void attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type){ struct pid *pid = *task_pid_ptr(task, type); hlist_add_head_rcu(&task->pid_links[type], &pid->tasks[type]);} 这里建立了双向连接： task_struct可以通过task_struct->pids[type]->pid访问pid实例。而从pid实例开始，可以遍历tasks[type]散列表找到task_struct。 hlist_add_head_rcu是遍历散列表的标准函数。 三、生成唯一的PID 除了管理PID之外，内核还负责提供机制来生成唯一的PID。为跟踪已经分配和仍然可用的PID，内核使用一个大的位图，其中每个PID由一个比特标识。 PID的值可通过对应比特在位图中的位置计算而来。因此，分配一个空闲的PID，本质上就等同于寻找位图中第一个值为0的比特，接下来将该比特设置为1。反之，释放一个PID可通过将对应的比特从1切换为0来实现。在建立一个新进程时，进程可能在多个命名空间中是可见的。对每个这样的命名空间，都需要生成一个局部PID。这是在alloc_pid中处理的，在文件kernel/pid.c内有： struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns, pid_t *set_tid, size_t set_tid_size){ struct pid *pid; enum pid_type type; int i, nr; struct pid_namespace *tmp; struct upid *upid; int retval = -ENOMEM; /* * set_tid_size contains the size of the set_tid array. Starting at * the most nested currently active PID namespace it tells alloc_pid() * which PID to set for a process in that most nested PID namespace * up to set_tid_size PID namespaces. It does not have to set the PID * for a process in all nested PID namespaces but set_tid_size must * never be greater than the current ns->level + 1. */ if (set_tid_size > ns->level + 1) return ERR_PTR(-EINVAL); pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL); if (!pid) return ERR_PTR(retval); tmp = ns; pid->level = ns->level; for (i = ns->level; i >= 0; i--) { int tid = 0; if (set_tid_size) { tid = set_tid[ns->level - i]; retval = -EINVAL; if (tid < 1 || tid >= pid_max) goto out_free; /* * Also fail if a PID != 1 is requested and * no PID 1 exists. */ if (tid != 1 && !tmp->child_reaper) goto out_free; retval = -EPERM; if (!checkpoint_restore_ns_capable(tmp->user_ns)) goto out_free; set_tid_size--; } idr_preload(GFP_KERNEL); spin_lock_irq(&pidmap_lock); if (tid) { nr = idr_alloc(&tmp->idr, NULL, tid, tid + 1, GFP_ATOMIC); /* * If ENOSPC is returned it means that the PID is * alreay in use. Return EEXIST in that case. */ if (nr == -ENOSPC) nr = -EEXIST; } else { int pid_min = 1; /* * init really needs pid 1, but after reaching the * maximum wrap back to RESERVED_PIDS */ if (idr_get_cursor(&tmp->idr) > RESERVED_PIDS) pid_min = RESERVED_PIDS; /* * Store a null pointer so find_pid_ns does not find * a partially initialized PID (see below). */ nr = idr_alloc_cyclic(&tmp->idr, NULL, pid_min, pid_max, GFP_ATOMIC); } spin_unlock_irq(&pidmap_lock); idr_preload_end(); if (nr < 0) { retval = (nr == -ENOSPC) ? -EAGAIN : nr; goto out_free; } pid->numbers[i].nr = nr; pid->numbers[i].ns = tmp; tmp = tmp->parent; } upid->ns->pid_allocated++; } spin_unlock_irq(&pidmap_lock); return pid;out_unlock: spin_unlock_irq(&pidmap_lock); put_pid_ns(ns);out_free: spin_lock_irq(&pidmap_lock); while (++i <= ns->level) { upid = pid->numbers + i; idr_remove(&upid->ns->idr, upid->nr); } /* On failure to allocate the first pid, reset the state */ if (ns->pid_allocated == PIDNS_ADDING) idr_set_cursor(&ns->idr, 0); spin_unlock_irq(&pidmap_lock); kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid); return ERR_PTR(retval);} （编辑：温州站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
