Linux内核原理-pid namespace

前言

这几晚在看进程相关的内核原理，正好看到了pid这块，看起来不是很复杂，但是引入了pid namespace后增加了一些数据结构，看起来不是那么清晰了，参考了Linux内核架构这本书，看完后感觉还没有理解。所以就在网上找了一些文章参考，其中我发现了一篇质量相当不错的文章，为什么说质量不错呢主要是因为笔者在博文中并没有乱贴代码一桶，也没有按照常规的代码分析，而是以一种追踪溯源的方法还原了整个pid的框架，读了这篇文章后感觉甚好，因此有了本文，本文算不上原创，只是在此基础上将自己的理解重新进行了梳理，相关的图表进行了重绘，加入了一些数据结构的含义表述。关于这篇文章的链接可以参考附录A

PID框架的设计

一个框架的设计会考虑很多因素，相信分析过Linux内核的读者来说会发现，内核的大量数据结构被哈希表和链表链接起来，最最主要的目的就是在于查找。可想而知一个好的框架，应该要考虑到检索速度，还有考虑功能的划分。那么在PID框架中，需要考虑以下几个因素.

• 如何通过task_struct快速找到对应的pid
• 如何通过pid快速找到对应的task_struct
• 如何快速的分配一个唯一的pid

这些都是PID框架设计的时候需要考虑的一些基本的因素。也正是这些因素将PID框架设计的愈加复杂。

原始的PID框架

先考虑的简单一点，一个进程对应一个pid

struct task_struct
{
    .....
    pid_t pid;
    .....
}

是不是很easy，回到上文，看看是否符合PID框架的设计原则，通过task_struct找到pid，很方便，但是通过pid找到task_struct怎么办呢?好吧，基于现在的这种结构肯定是无法满足需求的，那就继续改进吧。
注: 以上的这种设计来自与linux 2.4内核的设计

引入hlist和pid位图

struct task_struct *pidhash[PIDHASH_SZ];
struct pidmap {
        atomic_t nr_free;  //表示当前可用的pid个数
        void *page;  //用来存放位图
};

这样就很方便了，再看看PID框架设计的一些因素是否都满足了，如何分配一个唯一的pid呢，连续递增？，那么前面分配的进程如果结束了，那么分配的pid就需要回收掉，直到分配到PID的最大值，然后从头再继续。好吧，这或许是个办法，但是是不是需要标记一下那些pid可用呢?到此为此这看起来似乎是个解决方案,但是考虑到这个方案是要放进内核,开发linux的那帮家伙肯定会想近一切办法进行优化的,的确如此,他们使用了pid位图,但是基本思想没有变,同样需要标记pid是否可用,只不过使用pid位图的方式更加节约内存.想象一下,通过将每一位设置为0或者是1,可以用来表示是否可用,第1位的0和1用来表示pid为1是否可用,以此类推.到此为此一个看似还不错的pid框架设计完成了,下图是目前整个框架的整体效果.

引入PID类型后的PID框架

熟悉linux的读者应该知道一个进程不光光只有一个进程pid,还会有进程组id,还有会话id,(关于进程组和会话请参考(进程之间的关系)那么引入pid类型后,框架变成了下面这个样子,

struct task_struct
{
    ....
    pid_t pid;
    pid_t session;
    struct task_struct *group_leader;
    ....
}

struct signal
{
    ....
    pid_t __pgrp;
    ....
}
来自于kernel 2.6.24

对于进程组id来说,信号需要知道这这个id,通过这个id,可以实现对一组进程进行控制,所以这个id出现在了signal这个结构体中.所以直到现在来说框架还不是那么复杂,但是有一个需要明确的就是无论是session id还是group id其实都不占用pid的资源,因为session id是和领导进程组的组id相同,而group id则是和这个进程组中的领导进程的pid相同.

引入进程PID命名空间后的PID框架

随着内核不断的添加新的内核特性,尤其是PID Namespace机制的引入,这导致PID存在命名空间的概念,并且命名空间还有层级的概念存在,高级别的可以被低级别的看到,这就导致高级别的进程有多个PID,比如说在默认命名空间下,创建了一个新的命名空间,占且叫做level1,默认命名空间这里称之为level0,在level1中运行了一个进程在level1中这个进程的pid为1,因为高级别的pid namespace需要被低级别的pid namespace所看见,所以这个进程在level0中会有另外一个pid,为xxx.套用上面说到的pid位图的概念,可想而知,对于每一个pid namespace来说都应该有一个pidmap,上文中提到的level1进程有两个pid一个是1,另一个是xxx,其中pid为1是在level1中的pidmap进行分配的,pid为xxx则是在level0的pidmap中分配的. 下面这幅图是整个pidnamespace的一个框架

.引入了PID命名空间后,一个pid就不仅仅是一个数值那么简单了,还要包含这个pid所在的命名空间,父命名空间,命名空间多对应的pidmap,命名空间的pid等等.因此内核对pid做了一个封装,封装成struct pid,一个名为pid的结构体,下面是其定义:

enum pid_type
{
    PIDTYPE_PID,
    PIDTYPE_PGID,
    PIDTYPE_SID,
    PIDTYPE_MAX
};

struct pid
{
    unsigned int level; //这个pid所在的层级
    /* lists of tasks that use this pid */
    struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; //一个hash表,又三个表头,分别是pid表头,进程组id表头,会话id表头,后面再具体介绍
    struct upid numbers[1]; //这个pid对应的命名空间,一个pid不仅要包含当前的pid,还有包含父命名空间,默认大小为1,所以就处于根命名空间中
};

struct upid {               //包装命名空间所抽象出来的一个结构体
    int nr;                 //pid在该命名空间中的pid数值
    struct pid_namespace *ns;       //对应的命名空间
    struct hlist_node pid_chain;    //通过pidhash将一个pid对应的所有的命名空间连接起来.
};

struct pid_namespace {
    struct kref kref;
    struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];   //上文说到的,一个pid命名空间应该有其独立的pidmap
    int last_pid;               //上次分配的pid
    unsigned int nr_hashed; 
    struct task_struct *child_reaper;   //这个pid命名空间对应的init进程,因为如果父进程挂了需要找养父啊,这里指明了该去找谁
    struct kmem_cache *pid_cachep;
    unsigned int level;         //所在的命名空间层次
    struct pid_namespace *parent;    //父命名空间,构建命名空间的层次关系
    struct user_namespace *user_ns;
    struct work_struct proc_work;
    kgid_t pid_gid;
    int hide_pid;
    int reboot; /* group exit code if this pidns was rebooted */
    unsigned int proc_inum;
};
//上面还有一些复杂的成员,这里的讨论占且用不到

引入了pid namespace后,的确变得很复杂了,多了很多看不懂的数据结构.进程如何和struct pid关联起来呢,内核为了统一管理pid,进程组id,会话id,将这三类id,进行了整合,也就是现在task_struct要和三个struct pid关联,还要区分struct pid的类型.所以内核又引入了中间结构将task_struct和pid进行了1:3的关联.其结构如下:

struct pid_link
{
    struct hlist_node node;
    struct pid *pid;
};


struct task_struct
{
    .............
    pid_t pid;
    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
    .............
}
struct pid
{
    unsigned int level; //这个pid所在的层级
    /* lists of tasks that use this pid */
    struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; //一个hash表,又三个表头,分别是pid表头,进程组id表头,会话id表头,用于和task_struct进行关联
    struct upid numbers[1]; //这个pid对应的命名空间,一个pid不仅要包含当前的pid,还有包含父命名空间,默认大小为1,所以就处于根命名空间中
};
使用pid的tasks hash表和task_struct中pids结构中的hlist_node关联起来了.

到此为止一个看起来已经比较完善的pid框架构建完成了,整个框架的效果如下:

其中进程Ａ，Ｂ，Ｃ是一个进程组的，Ａ是组长进程，所以B，和C的task_struct结构体中的pid_link成员的node字段就被邻接到进程A对应的struct pid中的tasks[1]．struct upid通过pid_hash和pid数值关联了起来，这样就可以通过pid数值快速的找到所有命名空间的upid结构，numbers是一个struct pid的最后一个成员，利用可变数组来表示这个pid结构当前有多少个命名空间．

注: 2016/08/28 修正上图的一个错误，pid_hash的key并不是nr，应该是pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]唯一确定一个upid结构(具体可以参考pid_hashfn的实现)，这样就可以通过nr和ns来找到其对应的upid结构了。

为了验证我们这个框架,下面是一些PID相关的函数,通过函数的实现来验证下这个框架.

进程PID相关的API分析

获取三种类型的pid结构

static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
{
    return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}

/*
 * Without tasklist or rcu lock it is not safe to dereference
 * the result of task_pgrp/task_session even if task == current,
 * we can race with another thread doing sys_setsid/sys_setpgid.
 */
static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)
{
    return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PGID].pid;
}

static inline struct pid *task_session(struct task_struct *task)
{
    return task->group_leader->pids[PIDTYPE_SID].pid;
}

获取pid结构中的某一个名字空间的pid数值

pid_t pid_nr_ns(struct pid *pid, struct pid_namespace *ns)
{
    struct upid *upid;
    pid_t nr = 0;
    //判断传入的pid namespace层级是否符合要求
    if (pid && ns->level <= pid->level) {
        upid = &pid->numbers[ns->level]; //去到对应pid namespace的strut upid结构
        if (upid->ns == ns) //判断命名空间是否一致
            nr = upid->nr; //获取pid数值
    }
    return nr;
}

看看如何分配一个pid吧

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns) //pid分配要依赖与pid namespace,也就是说这个pid是属于哪个pid namespace
{
    struct pid *pid;
    enum pid_type type; 
    int i, nr;
    struct pid_namespace *tmp;
    struct upid *upid;
    //分配一个pid结构
    pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);
    if (!pid)
        goto out;

    tmp = ns;
    pid->level = ns->level; //初始化level
    //递归到上面的层级进行pid的分配和初始化
    for (i = ns->level; i >= 0; i--) {
        nr = alloc_pidmap(tmp); //从当前pid namespace开始知道全局pid namespace,每一个层级都分配一个pid
        if (nr < 0)
            goto out_free;

        pid->numbers[i].nr = nr; //初始化upid结构
        pid->numbers[i].ns = tmp;
        tmp = tmp->parent; //递归到父亲pid namespace
    }

    if (unlikely(is_child_reaper(pid))) {  //如果是init进程需要做一些设定,为其准备proc目录
        if (pid_ns_prepare_proc(ns))
            goto out_free;
    }

    get_pid_ns(ns);
    atomic_set(&pid->count, 1);
    for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)  //初始化pid中的hlist结构
        INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);

    upid = pid->numbers + ns->level;  //定位到当前namespace的upid结构
    spin_lock_irq(&pidmap_lock);
    if (!(ns->nr_hashed & PIDNS_HASH_ADDING)) 
        goto out_unlock;
    for ( ; upid >= pid->numbers; --upid) {
        hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
                &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]); //建立pid_hash,让pid和pid namespace关联起来
        upid->ns->nr_hashed++;
    }
    spin_unlock_irq(&pidmap_lock);

out:
    return pid;

out_unlock:
    spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
    put_pid_ns(ns);

out_free:
    while (++i <= ns->level)
        free_pidmap(pid->numbers + i);

    kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
    pid = NULL;
    goto out;
}

附录

附录A 参考链接

Linux 内核进程管理之进程ID