Powered By Blogger

Tuesday, April 27, 2010

Ещё немного о потоках ядра: kthreadd

ещё буквально пара слов о потоках ядра. Вероятно, Вы замечали в выводе ps -ef поток ядра kthreadd. Наверняка, у Вас даже возникал вопрос, для чего он нужен? На самом деле, всё достаточно просто. Опосредованно взаимодействуя с помощью определённых API с данным потоком, различные части ядра могут ставить в очередь на создание новые потоки, которые и создаёт kthreadd. Данные API ядра используются наряду с функцией kernel_thread(), с тем отличием, что создание нового процесса происходит не сразу же. Сам поток kthreadd стартует после инициализации основного потока ядра в функции rest_init() init/main.c:

static noinline void __init_refok rest_init(void)
        __releases(kernel_lock)
{
        int pid;

        rcu_scheduler_starting();
        kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
        numa_default_policy();
        pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
        kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
        unlock_kernel();

        /*
        * The boot idle thread must execute schedule()
        * at least once to get things moving:
        */
        init_idle_bootup_task(current);
        preempt_enable_no_resched();
        schedule();
        preempt_disable();

        /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
        cpu_idle();
}
Описатель задачи (struct task_struct) kthreadd хранится в переменной ядра kthreadd_task. Заметьте, что функция kernel_thread() возвращает идентификатор нового процесса (потока). Для того, чтобы получить описатель задачи, в ядре, в частности в приведённом коде, используется функция find_task_by_pid_ns(), первый аргумент которой - идентификатор потока, чей описатель задачи нам нужен, а второй - пространство идентификаторов процесса-предка (в данном случае - init).

Функция потока kthreadd реализована в kernel/kthread.c:

int kthreadd(void *unused)
{
        struct task_struct *tsk = current;

        /* Setup a clean context for our children to inherit. */
        set_task_comm(tsk, "kthreadd");
        ignore_signals(tsk);
        set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);
        set_mems_allowed(node_possible_map);

        current->flags |= PF_NOFREEZE | PF_FREEZER_NOSIG;

        for (;;) {
                set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
                if (list_empty(&kthread_create_list))
                        schedule();
                __set_current_state(TASK_RUNNING);

                spin_lock(&kthread_create_lock);
                while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
                        struct kthread_create_info *create;

                        create = list_entry(kthread_create_list.next,
                                struct kthread_create_info, list);
                        list_del_init(&create->list);
                        spin_unlock(&kthread_create_lock);

                        create_kthread(create);

                        spin_lock(&kthread_create_lock);
                }
                spin_unlock(&kthread_create_lock);
        }

        return 0;
}
Если не вдаваться сейчас во все детали, то из кода видно, что kthreadd() "крутится" в вечном цикле, в начале каждого прохода проверяя состояние списка kthread_create_list. Если список пуст, то поток устанавливает своё состояние как "спящий" и отдаёт управление, вызывая функцию планировщика schedule(). Если в списке есть элементы, то поток взводит спин-блокировку на списке, чтобы обезопасить его от изменений и до тех пор, пока список не пуст последовательно выполняет следующие действия:
  1. в переменную create типа struct create_thread_nfo* получаем элемент списка;
  2. удаляем элемент из списка;
  3. снимаем спин-лок со списка, так что теперь в него снова можно добавлять новые элементы извне;
  4. используя данные, находящиеся по адресу, сохранённому в create, создаём новый поток с помощью вспомогательной функции create_kthread() (не путать с kthread_create() и kernel_thread()! в отличие от них, create_kthread() не экспортируется за пределы kthread.o);
  5. ну и наконец снова взводим спин-лок на списке, чтобы не произошло ничего неожиданного, пока мы будем проверять пуст ли список потоков к созданию :)

Очередь потоков к созданию - это нечто иное, как двусвязный список, о ктором я уже писал. Вот как выглядит структура-элемент этого списка:

struct kthread_create_info
{
        /* Information passed to kthread() from kthreadd. */
        int (*threadfn)(void *data);
        void *data;

        /* Result passed back to kthread_create() from kthreadd. */
        struct task_struct *result;
        struct completion done;

        struct list_head list;
};
Самые интересные на данный момент поля здесь - это threadfn - указатель на функцию, которая должна выполняться в отдельном потоке, data - указатель на данные, которые будут использоваться потоком, result - указатель на описатель задачи для нового потока.

В список новые элементы добавляются с помощью функции kthread_create():

/**
* kthread_create - create a kthread.
* @threadfn: the function to run until signal_pending(current).
* @data: data ptr for @threadfn.
* @namefmt: printf-style name for the thread.
*
* Description: This helper function creates and names a kernel
* thread.  The thread will be stopped: use wake_up_process() to start
* it.  See also kthread_run(), kthread_create_on_cpu().
*
* When woken, the thread will run @threadfn() with @data as its
* argument. @threadfn() can either call do_exit() directly if it is a
* standalone thread for which noone will call kthread_stop(), or
* return when 'kthread_should_stop()' is true (which means
* kthread_stop() has been called).  The return value should be zero
* or a negative error number; it will be passed to kthread_stop().
*
* Returns a task_struct or ERR_PTR(-ENOMEM).
*/
struct task_struct *kthread_create(int (*threadfn)(void *data),
        void *data,
        const char namefmt[],
        ...)
{
        struct kthread_create_info create;

        create.threadfn = threadfn;
        create.data = data;
        init_completion(&create.done);

        spin_lock(&kthread_create_lock);
        list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list);
        spin_unlock(&kthread_create_lock);

        wake_up_process(kthreadd_task);
        wait_for_completion(&create.done);

        if (!IS_ERR(create.result)) {
                struct sched_param param = { .sched_priority = 0 };
                va_list args;

                va_start(args, namefmt);
                vsnprintf(create.result->comm, sizeof(create.result->comm),
                        namefmt, args);
                va_end(args);
                /*
                 * root may have changed our (kthreadd's) priority or CPU mask.
                 * The kernel thread should not inherit these properties.
                 */
                sched_setscheduler_nocheck(create.result, SCHED_NORMAL, ¶m);
                set_cpus_allowed_ptr(create.result, cpu_all_mask);
        }
        return create.result;
}

EXPORT_SYMBOL(kthread_create);
kthread_create() принимает указатель на функцию, которая должна выполняться в отдельном потоке (threadfn), указатель на данные для потока (data) и имя нового потока (namefmt). Сперва kthread_create() инициализирует поля переменной create типа struct kthread_create_info. Затем на время добавления нового элемента в список потоков, "ждущих" создания, kthread_create() взводит спин-лок, чтобы никто больше не мог добавить новые элементы и внести сумятицу в наши дела :) Новый элемент списка добавляется в хвост с помощью макроса list_add_tail(). Затем спин-лок снимается - список снова свободен. Далее, kthread_create() будит поток kthreadd с помощью wake_up_process(), который должен будет проверить очередь и запустить новый поток, как описывалось выше. Ну и наконец, если при создании нового потока не возникло ошибок, то подготавливаем такие реквизиты нового потока, как имя и параметры планирования. Оставив новый поток в состоянии сна, возвращаем управления. Вот и всё, что делает kthread_create(). Если кратко, то она ставит в очередь новый запрос на создание потока, дожидается, пока не отработает рабочий поток kthreadd и не будет создан новый спящий поток.

На этом матрёшка не заканчивается. В упомянутой функции kthreadd() мы сознательно пропустили одно место:

        spin_unlock(&kthread_create_lock);
        create_kthread(create);
        spin_lock(&kthread_create_lock);
create_kthread() - ещё одна вспомогательная внутренняя функция, которая с помощью уже знакомого нам вызова kernel_thread() создаёт реальный поток. Но, не всё так просто. На самом деле, здесь создаётся не тот поток, который указывался в качестве аргумента threadfn для kthread_create()! Создаётся всего лишь новый поток kthread - опять же, внутренняя неэкспортируемая за пределы единицы трансляции функция :)
static void create_kthread(struct kthread_create_info *create)
{
        int pid;

        /* We want our own signal handler (we take no signals by default). */
        pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);
        if (pid < 0) {
                create->result = ERR_PTR(pid);
                complete(&create->done);
        }
}
По результату, который будет положительным числом - идентификатором процесса (pid) в сучае успеха или отрицательным - код ошибки, узнаём, как всё прошло.

Что же делает kthread()? Не так и много. Сначала, новый поток копирует все необходимые данные из переданного ему аргумента _create - т.е., адрес функции потока (threadfn) и данные для потока (data). Во внутреннюю пемеременную self типа struct kthread записываем "состояние" потока - should_stop - не 0, если поток должен быть остановлен и exited - код возврата, если поток завершился.

static int kthread(void *_create)
{
        /* Copy data: it's on kthread's stack */
        struct kthread_create_info *create = _create;
        int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn;
        void *data = create->data;
        struct kthread self;
        int ret;

        self.should_stop = 0;
        init_completion(&self.exited);
        current->vfork_done = &self.exited;

        /* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
        __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
        create->result = current;
        complete(&create->done);
        schedule();

        ret = -EINTR;
        if (!self.should_stop)
                ret = threadfn(data);

        /* we can't just return, we must preserve "self" on stack */
        do_exit(ret);
}
Здесь:
        /* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
        __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
        create->result = current;
        complete(&create->done);
        schedule();
мы устанавливаем состояние потока в TASK_UNINTERRUPTIBLE (спящий процесс). В описатель задачи - result - записываем указатель на текущий контекст (ведь когда kthread была запущена через kernel_thread(), у нас уже свой контекст выполнения для данного экземпляра kthread()). Далее, сигнализируем о завершении инициализации описателя нового процесса и состояния задачи с помощью complete() (здесь я намеренно пока не углубляюсь в то, что такое атомарное ожидание). Просим ядро выполнить перепланирование процессов. В этом месте, по сути, выполнение нашего нового потока приостанавливается, т.к. планировщик не будет выделять ему процессорное время ввиду того, что поток спит... Следущие строки будут выполнены только после того, как поток будет разбужен:
         ret = -EINTR;
        if (!self.should_stop)
                ret = threadfn(data);

        /* we can't just return, we must preserve "self" on stack */
        do_exit(ret);
Тут, как будто, ничего мистического нет. Сразу, как только поток вновь получит процессор в своё владение (будет кем-то разбужен), в переменную-код возврата мы записываем код ошибки EINTR - "процесс прерван". Затем необходимо проверить, не успел ли кто-то отменить выполнение потока. Если нет, то наконец-то выполняем именно нашу функцию - threadfn(), передавая ей в качестве аргумента данные для работы. Ну а после этого - делаем do_exit() после того, как функция threadfn() возратит управление.

Такова подсистема поочередного запуска потоков в общих чертах. Всё остальное достаточно просто:

  • void kthread_bind(struct task_struct *k, unsigned int cpu) - создать поток, привязанный к конкретному процессору;
  • int kthread_stop(struct task_struct *k) - запросить останов потока;
  • int kthread_should_stop(void) - проверка, был ли запрошен останов потока (удобно использовать внутри самого потока);
  • kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...) - макрос, который делает то же, что kthread_create() с той лишь разницей, что поток сразу будет пробуждён.

1 comment:

El SysMan (BMF) said...

Информативно.

ПОСЕТИТЕЛИ

free counters