linux内核PID管理

        PID即进程描述符在linux kernel中的分配和管理比较复杂。 本文分析了其相关数据结构以及函数。 （代码基于v3.0.3)

和PID相关的数据结构有

struct pid
{
atomic_t count;
unsigned int level;
struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
struct rcu_head rcu;
struct upid numbers[1];
};

其中 count是指向该数据结构的引用次数。

level是该pid在pid_namespace中处于第几层。当level=0时表示是global namespace，即最高层。pid_namespace这个数据结构将在后面进行解释。

tasks[PIDTYPE_MAX]数组中每个元素都代表了不同的含义。PIDTYPE_MAX表示pid所表示的类型的最大数。 该值定义在enum pid_type中

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

PIDTYPE_PID代表进程描述符(PID) 。 PIDTYPE_PGID代表一组进程描述符。 一组进程(process)可以组成一个群组，并且有一个组描述符。 这样的好处是如果有一个信号是针对这个组描述符，该群组内的所有进程都可以接受到。 PIDTYPE_SID是对组描述符再做一个群组，形成一个session。这是更高一个层次的抽象。

tasks[i]指向的是一个哈希表。譬如说tasks[PIDTYPE_PID]指向的是PID的哈希表。

rcu域我也没有搞明白到底是做什么的：（

numbers[1]域指向的是upid结构体。 numbers数组的本意是想表示不同的pid_namespace。 一个PID可以属于不同的namespace， numbers[0]表示global namespace，numbers[i]表示第i层namespace，i越大所在层级越低。目前该数组只有一个元素， 即global namespace。所以namepace的概念虽然引入了pid，但是并未真正使用，在未来的版本可能会用到。

接下来我们再看看upid这个数据结构

struct upid {
int nr;
struct pid_namespace  × ns;
struct hlist_node pid_chain;
};

pid结构体中的numbers域指向了upid结构体。该结构体中

nr是pid的值， 即 task_struct中 pid_t pid域的值。

ns指向该pid所处的namespace。

linux内核将所有进程的upid都存放在一个哈希表中（pid_hash），以方便查找和统一管理。因此，pid结构体中的numbers[0]指向的upid instance存放在pid_hash里。通过pid_chain即哈希表的节点就能够找到该upid所在pid_hash中的位置。

接下来再看看pid_namespace结构体

struct pid_namespace {
struct kref kref;
struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];
int last_pid;
struct task_struct *child_reaper;
struct kmem_cache *pid_cachep;
unsigned int level;
struct pid_namespace *parent;
};

kref表示指向pid_namespace的个数。

pidmap结构体表示分配pid的位图。当需要分配一个新的pid时只需查找位图，找到bit为0的位置并置1，然后更新统计数据域（nr_free)。

struct pidmap {
atomic_t nr_free;
void *page;
};

nr_free表示还能分配的pid的数量。

page指向的是存放pid的物理页。

所以pidmap[PIDMAP_ENTRIES]域表示该pid_namespace下pid已分配情况。

last_pid用于pidmap的分配。指向最后一个分配的pid的位置。(不是特别确定）

child_reaper指向的是一个进程。 该进程的作用是当子进程结束时为其收尸（回收空间）。由于目前只支持global namespace，这里child_reaper就指向init_task。

pid_cachep域指向分配pid的slab的地址。

level表示该namespace处于哪一层， 现在这里显然是0。

parent指向该namespace的父亲namespace。 现在一定是NULL。

介绍完pid_namespace相关的数据结构，我们来看看设计它们的本意是什么。 Linux中增加namespace这个概念的目的是为了虚拟化和方便管理。 比如在不同的namespace中可以有pid相同的进程。 pid_namespace的结构是层次化的。而且在child namespace中的进程一定会有parent namespace的映射。这句话可能不太好理解。可以结合下面这张图

以上图为例子，此时pid_hash全局哈希表中此时会存放15个(9+3+3)upid的instance。

前面介绍了这么多关于pid， upid， pid_namespace的概念， 接下来我们再来看看它们和task_struct之间的关系

右下角的椭圆形虚线框是全局pid_hash，所有已分配的upid都会保存在该hash表中。

左下角的椭圆形虚线框表示的是pid_namespace的关系。 当然目前只有一层。

Linux内核通过task_struct来管理进程。在task_struct中，和pid相关的域有

struct task_struct
{
...
pid_t pid;
pid_t tgid;
struct task_struct *group_leader;
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
struct nsproxy *nsproxy;
...
};

pid指该进程的进程描述符。 后面会介绍在fork函数中如何对其进行赋值的。

tgid指该进程的线程描述符。在linux内核中对线程并没有做特殊的处理，还是由task_struct来管理。所以从内核的角度看， 用户态的线程本质上还是一个进程。对于同一个进程（用户态角度）中不同的线程其tgid是相同的，但是pid各不相同。 主线程即group_leader（主线程会创建其他所有的子线程）。如果是单线程进程（用户态角度），它的pid等于tgid。

对于用户态程序来说，调用getpid（）函数其实返回的是tgid。想想是为什么？：）

group_leader除了在多线程的模式下指向主线程，还有一个用处， 当一些进程组成一个群组时（PIDTYPE_PGID)， 该域指向该群组的leader。

nsproxy指针指向namespace相关的域。

struct nsproxy {
atomic_t count;
struct uts_namespace *uts_ns;
struct ipc_namespace *ipc_ns;
struct mnt_namespace *mnt_ns;
struct pid_namespace *pid_ns;
struct net           *net_ns;
};

通过nsproxy域可以知道该task_struct属于哪个pid_namespace， 当然现在一定是global namespace。（已经讲了很多次了：））

其他一些域也是namespace相关，这里就不展开解释了。

pids[PIDTYPE_MAX]指向了和该task_struct相关的pid结构体。

pid_link的定义如下

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

在linux内核中如果想获得该task_struct所对应的pid可以调用task_pid（）函数， 这个函数的实现非常简单

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

自此我已将pid相关的数据结构介绍完了， 下面我们再看看和pid相关的使用。

（1）fork函数中如何分配一个新的pid？

fork（）， vfork（）还有clone（）函数最终都是通过调用do_fork()来进行工作。 分配新的pid是在copy_process（）函数实现的。 do_fork()函数会调用copy_process（）， 它们之间的关系我会在以后的文章中进行介绍。

static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,
                                        unsigned long stack_start,
                                        struct pt_regs *regs,
                                        unsigned long stack_size,
                                        int __user *child_tidptr,
                                        struct pid *pid,
                                        int trace)
{
...
if (pid != &init_struct_pid) {
    retval = -ENOMEM;
    pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns);
    if (!pid)
        goto bad_fork_cleanup_io;
}

p->pid = pid_nr(pid);
p->tgid = p->pid;
if (clone_flags & CLONE_THREAD)
    p->tgid = current->tgid;

...
}

我只将和pid分配的代码列出来了。

alloc_pid函数将分配一个新的pid struct。 简单的说该函数的功能是在pidmap上找到一个未用的pid bit，如若找不着，着说明已经没有可用的pid了，该namespace所在pid配给全部用完。 然后将其保存到pid_hash的哈希表里，然后再将pid结构体返回。

pid_nr函数的实现也很简单

static inline pid_t pid_nr(struct pid *pid)
 {
         pid_t nr = 0;
         if (pid)
                 nr = pid->numbers[0].nr;
         return nr;
 }

返回该pid所在global namespace的值。

后面几行代码用于区分进程和线程中tgid的值。

和pid相关的数据结构，函数定义可以在 include/linux/pid.h include/linux/pid_namespace.h 以及 kernel/pid.c kernel/pid_namespace.c中找到。

注：

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（2）欢迎和大家进行交流。

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