Linux 内核线程

一、内核线程

内核线程就是内核的分身，一个分身可以处理一件特定事情。Linux内核使用内核线程来将内核分成几个功能模块，像kswapd、kflushd等，这在处理异步事件如异步IO时特别有用。内核线程的使用是廉价的，唯一使用的资源就是内核栈和上下文切换时保存寄存器的空间。支持多线程的内核叫做多线程内核(Multi-Threads kernel )。

内核线程的调度由内核负责，一个内核线程处于阻塞状态时不影响其他的内核线程，因为其是调度的基本单位。这与用户线程是不一样的。

内核线程只运行在内核态，不受用户态上下文的拖累。

• 处理器竞争：可以在全系统范围内竞争处理器资源；
• 使用资源：唯一使用的资源是内核栈和上下文切换时保持寄存器的空间
• 调度：调度的开销可能和进程自身差不多昂贵
• 同步效率：资源的同步和数据共享比整个进程的数据同步和共享要低一些。

二、内核线程与普通进程的异同

1. 跟普通进程一样，内核线程也有优先级和被调度。 当和用户进程拥有相同的static_prio时，内核线程有机会得到更多的cpu资源。
2. 内核线程的bug直接影响内核，很容易搞死整个系统, 但是用户进程处在内核的管理下，其bug最严重的情况也只会把自己整崩溃。
3. 内核线程没有自己的地址空间，所以它们的”current->mm”都是空的。
4. 内核线程只能在内核空间操作，不能与用户空间交互。

内核线程不需要访问用户空间内存，这是再好不过了。所以内核线程的task_struct的mm域为空.但是刚才说过，内核线程还有核心堆栈，没有mm怎么访问它的核心堆栈呢？这个核心堆栈跟task_struct的thread_info共享8k的空间，所以不用mm描述。

但是内核线程总要访问内核空间的其他内核啊，没有mm域毕竟是不行的。所以内核线程被调用时, 内核会将其task_strcut的active_mm指向前一个被调度出的进程的mm域, 在需要的时候，内核线程可以使用前一个进程的内存描述符。

因为内核线程不访问用户空间，只操作内核空间内存，而所有进程的内核空间都是一样的。这样就省下了一个mm域的内存。

三、内核线程创建

在内核中，有两种方法可以生成内核线程

3.1 kernel_thread

kernel_thread是最基础的创建内核线程的接口, 它通过将一个函数直接传递给内核来创建一个进程, 创建的进程运行在内核空间, 并且与其他进程线程共享内核虚拟地址空间。

在init/main.c文件中可以看到使用kernel_thread创建了负责内核初始化的进程。

noinline void __ref rest_init(void)
{
	struct task_struct *tsk;
	int pid;

	rcu_scheduler_starting();
	/*
	 * 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.
	 */
	pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
	...
}

3.2 kthread_create

kthread_create接口，则是标准的内核线程创建接口，也是最常用的方法。

线程创建后，不会马上运行，而是需要将kthread_create() 返回的task_struct指针传给wake_up_process()，然后通过此函数运行线程。

struct task_struct *kthread_create(int (*threadfn)(void *data),void *data,const char namefmt[], ...);

• threadfn为线程函数;
• data为线程函数参数;
• namefmt为线程名称，可被格式化的, 类似printk一样传入某种格式的线程名

此外内核还提供了kthread_run宏定义，它将kthread_create和wake_up_process结合起来，帮助开发者快速创建并启动线程的函数。

// include/linux/kthread.h
#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)			   \
({									   \
	struct task_struct *__k						   \
		= kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__); \
	if (!IS_ERR(__k))						   \
		wake_up_process(__k);					   \
	__k;								   \
})

四、内核线程的退出

线程一旦启动起来后，会一直运行，除非该线程主动调用do_exit函数(当线程执行到函数末尾时也会自动调用内核中do_exit()函数)，或者其他的进程调用kthread_stop函数，结束线程的运行。

int kthread_stop(struct task_struct *thread);

kthread_stop() 通过发送信号给线程。
如果线程函数正在处理一个非常重要的任务，它不会被中断的。当然如果线程函数永远不返回并且不检查信号，它将永远都不会停止。

在执行kthread_stop的时候，目标线程必须没有退出，否则会Oops。原因很容易理解，当目标线程退出的时候，其对应的task结构也变得无效，kthread_stop引用该无效task结构就会出错。

为了避免这种情况，需要确保线程没有退出，其方法如代码中所示：

thread_func()
{
    // do your work here
    // wait to exit
    while(!thread_could_stop())
    {
           wait();
    }
}

exit_code()
{
     kthread_stop(_task);   //发信号给task，通知其可以退出了
}

四、示例代码

#include 
#include 
#include 

#define ENTER() printk(KERN_DEBUG "%s() Enter", __func__)
#define EXIT() printk(KERN_DEBUG "%s() Exit", __func__)
#define ERR(fmt, args...) printk(KERN_ERR "%s()-%d: " fmt "\n", __func__, __LINE__, ##args)
#define DBG(fmt, args...) printk(KERN_DEBUG "%s()-%d: " fmt "\n", __func__, __LINE__, ##args)
 
static struct task_struct *test_kthread = NULL;    //定义一个task_struct结构体指针，赋值为NULL
 
static int kthread_test_func(void)   //定义一个内核线程要执行的函数
{
	ENTER();
	while (!kthread_should_stop()) {
		DBG("kthread is running");
		msleep(5000);
	}

	EXIT();
	return 0;
}
 
static __init int kthread_test_init(void)
{
	ENTER();
 
	test_kthread = kthread_run(kthread_test_func, NULL, "kthread-test");  //创建线程kthread-test，并且运行
	if (!test_kthread) {
		ERR("kthread_run fail");
		return -ECHILD;
	}
 
	EXIT();
	return 0;
}
 
static __exit void kthread_test_exit(void)
{
	ENTER();
	if (test_kthread) {
		DBG("kthread_stop");
		kthread_stop(test_kthread); //停止内核线程
		test_kthread = NULL;
	}
   
	EXIT();
}
module_init(kthread_test_init);
module_exit(kthread_test_exit);

MODULE_DESCRIPTION("Device_create Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

参考资料

1. Linux创建内核线程kthread_create的用法介绍
2. Linux内核线程
3. linux内核中创建线程方法【转】