分类： LINUX
2012-04-18 18:08:16
原文：http://blog.csdn.net/bullbat/article/details/7085494
关于进程ID号，在深入理解linux内核架构中已经讲得很清楚了。下面是主要的部分。
UNIX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。
1. 进程ID
但每个进程除了PID这个特征值之外，还有其他的ID。有下列几种可能的类型。
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。
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。
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，但和我们这里的讨论不相干。
命名空间增加了PID管理的复杂性。回想一下，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。
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。
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。
全局PID和TGID直接保存在task_struct中，分别是task_struct的pid和tgid成员：
1
2 struct task_struct {
3 ...
4 pid_t pid;
5 pid_t tgid;
6 ...
7 }
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。
会话和进程组ID不是直接包含在task_struct本身中，但保存在用于信号处理的结构中。task_ struct->signal->__session表示全局SID，而全局PGID则保存在task_struct->signal->__pgrp。辅助函数set_task_session和set_task_pgrp可用于修改这些值。
2. 管理PID
除了这两个字段之外，内核还需要找一个办法来管理所有命名空间内部的局部量，以及其他ID（如TID和SID）。这需要几个相互连接的数据结构，以及许多辅助函数，并将在下文讨论。
数据结构
下文我将使用ID指代提到的任何进程ID。在必要的情况下，我会明确地说明ID类型（例如，TGID，即线程组ID）。
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。
在介绍表示ID本身所需的数据结构之前，我需要讨论PID命名空间的表示方式。我们所需查看的代码如下所示：
8
9 struct pid_namespace {
10 ...
11 struct task_struct *child_reaper;
12 ...
13 int level;
14 struct pid_namespace *parent;
15 };
实际上PID分配器也需要依靠该结构的某些部分来连续生成唯一ID，但我们目前对此无需关注。我们上述代码中给出的下列成员更感兴趣。
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，层次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。
回想图2-3的内容，命名空间是按层次关联的。这有助于理解上述的定义。
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。两个结构的定义如下：
16
17 struct upid {
18 int nr;
19 struct pid_namespace *ns;
20 struct hlist_node pid_chain;
21 };
22
23 struct pid
24 {
25 atomic_t count;
26 /* 使用该pid的进程的列表 */
27 struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
28 int level;
29 struct upid numbers[1];
30 };
由于这两个结构与其他一些数据结构存在广泛的联系，在分别讨论相关结构之前，图2-5对此进行了概述。
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，稍后我们会看到该结构。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：
1
2 enum pid_type
3 {
4 PIDTYPE_PID,
5 PIDTYPE_PGID,
6 PIDTYPE_SID,
7 PIDTYPE_MAX
8 };
2.3.3 进程ID号（2）
请注意，枚举类型中定义的ID类型不包括线程组ID！这是因为线程组ID无非是线程组组长的PID而已，因此再单独定义一项是不必要的。
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：
1
2 struct task_struct {
3 ...
4 /* PID与PID散列表的联系。 */
5 struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
6 ...
7 };
辅助数据结构pid_link可以将task_struct连接到表头在struct pid中的散列表上：
8
9 struct pid_link
10 {
11 struct hlist_node node;
12 struct pid *pid;
13 };
pid指向进程所属的pid结构实例，node用作散列表元素。
为在给定的命名空间中查找对应于指定PID数值的pid结构实例，使用了一个散列表：
14 kernel/pid.c
15 static struct hlist_head *pid_hash;
hlist_head是一个内核的标准数据结构，用于建立双链散列表（附录C描述了该散列表的结构，并介绍了用于处理该数据结构的几个辅助函数）。
pid_hash用作一个hlist_head数组。数组的元素数目取决于计算机的内存配置，大约在24=16和212=4096之间。pidhash_init用于计算恰当的容量并分配所需的内存。
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：
16 kernel/pid.c
17 int fastcall attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type,
18 struct pid *pid)
19 {
20 struct pid_link *link;
21
22 link = &task->pids[type];
23 link->pidpid = pid;
24 hlist_add_head_rcu(&link->node, &pid->tasks[type]);
25
26 return 0;
27 }
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，此外还确保了遵守RCU机制（参见第5章）。因为，在其他内核组件并发地操作散列表时，可防止竞态条件（race condition）出现。
函数
内核提供了若干辅助函数，用于操作和扫描上面描述的数据结构。本质上内核必须完成下面两个不同的任务。
(1) 给出局部数字ID和对应的命名空间，查找此二元组描述的task_struct。
(2) 给出task_struct、ID类型、命名空间，取得命名空间局部的数字ID。
我们首先专注于如何将task_struct实例变为数字ID。这个过程包含下面两个步骤。
(1) 获得与task_struct关联的pid实例。辅助函数task_pid、task_tgid、task_pgrp和task_session分别用于取得不同类型的ID。获取PID的实现很简单：
28
29 static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
30 {
31 return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
32 }
获取TGID的做法类似，因为TGID不过是线程组组长的PID而已。只要将上述实现替换为task-> group_leader->pids[PIDTYPE_PID].pid即可。
找出进程组ID则需要使用PIDTYPE_PGID作为数组索引，但该ID仍然需要从线程组组长的task_ struct实例获取：
33
34 static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)
35 {
36 return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PGID].pid;
37 }
(2) 在获得pid实例之后，从struct pid的numbers数组中的uid信息，即可获得数字ID：
38 kernel/pid.c
39 pid_t pid_nr_ns(struct pid *pid, struct pid_namespace *ns)
40 {
41 struct upid *upid;
42 pid_t nr = 0;
43
44 if (pid && ns->level <= pid->level) {
45 upid = &pid->numbers[ns->level];
46 if (upid->ns == ns)
47 nr = upid->nr;
48 }
49 return nr;
50 }
因为父命名空间可以看到子命名空间中的PID，反过来却不行，内核必须确保当前命名空间的level小于或等于产生局部PID的命名空间的level。
同样重要的是要注意到，内核只需要关注产生全局PID。因为全局命名空间中所有其他ID类型都会映射到PID，因此不必生成诸如全局TGID或SID。
除了在第2步使用的pid_nr_ns之外，内核还可以使用下列辅助函数：
pid_vnr返回该ID所属的命名空间所看到的局部PID；
pid_nr则获取从init进程看到的全局PID。
这两个函数都依赖于pid_nr_ns，并自动选择适当的level：0用于获取全局PID，而pid->level则用于获取局部PID。
内核提供了几个辅助函数，合并了前述步骤：
51 kernel/pid.c
52 pid_t task_pid_nr_ns(struct task_struct
*tsk, struct pid_namespace *ns)
53 pid_t task_tgid_nr_ns(struct task_struct
*tsk, struct pid_namespace *ns)
54 pid_t task_pgrp_nr_ns(struct task_struct
*tsk, struct pid_namespace *ns)
55 pid_t task_session_nr_ns(struct task_struct
*tsk, struct pid_namespace *ns)
从函数名可以明显推断其语义，因此我们不再赘述。
2.3.3 进程ID号（3）
现在我们把注意力转向内核如何将数字PID和命名空间转换为pid实例。同样需要下面两个步骤。
(1) 给出进程的局部数字PID和关联的命名空间（这是PID的用户空间表示），为确定pid实例（这是PID的内核表示），内核必须采用标准的散列方案。首先，根据PID和命名空间指针计算在pid_hash数组中的索引， 然后遍历散列表直至找到所要的元素。这是通过辅助函数find_pid_ns处理的：
1 kernel/pid.c
2 struct pid * fastcall find_pid_ns(int nr,
struct pid_namespace *ns)
struct upid的实例保存在散列表中，由于这些实例直接包含在struct pid中，内核可以使用container_of机制（参见附录C）推断出所要的信息。
(2) pid_task取出pid->tasks[type]散列表中的第一个task_struct实例。
这两个步骤可以通过辅助函数find_task_by_pid_type_ns完成：
3 kernel/pid.c
4 struct task_struct *find_task_by_pid_type_ns(int type, int nr,
5 struct pid_namespace *ns)
6 {
7 return pid_task(find_pid_ns(nr, ns), type);
8 }
一些简单一点的辅助函数基于最一般性的find_task_by_pid_type_ns：
find_task_by_pid_ns(pid_t nr, struct pid_namespace * ns)根据给出的数字PID和进程的命名空间来查找task_struct实例。
find_task_by_vpid(pid_t vnr)通过局部数字PID查找进程。
find_task_by_pid(pid_t nr)通过全局数字PID查找进程。
内核源代码中许多地方都需要find_task_by_pid，因为很多特定于进程的操作（例如，使用kill发送一个信号）都通过PID标识目标进程。
3. 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（尚未分配）。在这种情况下，可以忽略各种不同类型的PID之间的差别，因为按一般的UNIX观念，只需要为PID生成唯一的数值即可。所有其他的ID都可以派生自PID，在下文讨论fork和clone时会看到这一点。在随后的几节中，名词PID还是指一般的UNIX进程ID（PIDTYPE_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。这些操作使用下述两个函数实现：
9 kernel/pid.c
10 static int alloc_pidmap(struct pid_namespace *pid_ns)
用于分配一个PID，而
11 kernel/pid.c
12 static fastcall void free_pidmap(struct
pid_namespace *pid_ns, int pid)
用于释放一个PID。我们这里不关注具体的实现方式，但它们必须能够在命名空间下工作。
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：
13 kernel/pid.c
14 struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
15 {
16 struct pid *pid;
17 enum pid_type type;
18 int i, nr;
19 struct pid_namespace *tmp;
20 struct upid *upid;
21 ...
22 tmp = ns;
23 for (i = ns->level; i >= 0; i--) {
24 nr = alloc_pidmap(tmp);
25 ...
26 pid->numbers[i].nr = nr;
27 pid->numbers[i].ns = tmp;
28 tmptmp = tmp->parent;
29 }
30 pid->level = ns->level;
31 ...
起始于建立进程的命名空间，一直到初始的全局命名空间，内核会为此间的每个命名空间分别创建一个局部PID。包含在struct pid中的所有upid都用重新生成的PID更新其数据。每个upid实例都必须置于PID散列表中：
32
