Freezing of tasks [Kernel Documents]

最新推荐文章于 2022-07-20 15:16:58 发布
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文章标签： 任务 list 工作 框架 events thread
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/arethe/article/details/6069358
本文介绍了Linux系统中的任务冷冻机制，这是一种在系统休眠或挂起期间控制用户空间进程和内核线程的技术。文章详细解释了任务冷冻的工作原理、内核线程如何成为可冷冻线程、冷冻任务的原因以及与任务冷冻相关的问题。

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Freezing of tasks

(C) 2007 Rafael J. Wysocki <rjw@sisk.pl>, GPL

翻译： Arethe Qin

        

I.                    什么是任务冷冻？

任务冷冻是一种在系统休眠或者系统挂起期间控制用户空间进程和一些内核线程的机制。

II.                  它是如何工作的？

每个任务都有4个标志用于任务冷冻机制，PF_NOFREEZE, PF_FROZEN, TIF_FREEZE和PF_FREEZER_SKIP（最后一个是辅助的[auxiliary]）。没有设置PF_NOFREEZE标志的任务（包括所有的用户空间进程和部分内核线程）被认为是“可冷冻的”。在系统进入挂起状态前，或创建休眠映像[hibernation image]前(在下文中仅讨论休眠的情况，但是以下的论述同样适用于挂起)，对此类任务要进行特殊处理。

就是说，在休眠过程的第一步，需要调用函数freeze_processes()（定义在kernel/power/process.c）。此函数通过try_to_freeze_tasks()函数将所有“可冷冻”任务的TIF_FREEZE标志置位。如果这些任务是内核线程，则唤醒它们。如果是用户空间进程，则向它们发送一个欺骗信号[fake signals]。如果一个任务设置了TIF_FREEZE标志，就必须通过函数refrigerator()(定义在kernel/power/process.c)对其进行响应，这个函数设置任务的PF_FROZEN标志，将任务的状态切换至TASK_UNINTERRUPTIBLE，并且使得该任务不断的循环直到PF_FROZEN标准被清除。随后，我们就可以说这个任务被“冷冻”了，实现这个机制的那些函数则被称作“冰箱”（这些函数定义在kernel/power/process.c以及头文件include/linux/freezer.h）。用户空间进程需在内核线程之前被逐个地冷冻。

       最好不要直接调用refrigerator()函数。如果有类似需要，可以使用try_to_freeze()函数（定义在include/linux/freezer.h），该函数会检查任务的TIF_FREEZE标志，在该标志被置位的时候，才会调用refrigerator()。

         对用户空间进程而言，信号处理程序会自动调用try_to_freeze()，但是可冷冻的内核线程则需要在合适的地方显示地调用它，或者使用wait_event_freezable()或wait_event_freezable_timeout()宏(定义在include/linux/freezer.h)，这些宏在TIF_FREEZE标志被置位时将内核线程转入可中断睡眠态，并且调用try_to_freeze()。一个可冷冻的内核线程的主循环可以采用下面的框架：

set_freezable();

         do {

                   hub_events();

                   wait_event_freezable(khubd_wait,

                                     !list_empty(&hub_event_list) ||

                                     kthread_should_stop());

         } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));

 

(from drivers/usb/core/hub.c::hub_thread()).

         如果一个内核线程在“冰箱”为其设置TIF_FREEZE后调用try_to_freeze()失败，便意味着任务冷冻的失败，整个休眠操作都应该被取消。出于此原因，可冷冻的内核线程必须在某处调用try_to_freeze()函数，或者使用宏wait_event_freezable()或wait_event_freezable_timeout()中的一个。

         在系统内存状态从一个休眠映像中恢复，并且设备被重新初始化之后，需要调用解冻函数thaw_processes()清除所有冷冻任务的PF_FROZEN标志。此后，被解冻的任务离开refrigerator()，继续运行。

 

III.                哪些内核线程是可冷冻的？

内核线程在默认情况下是不可冷冻的。不过，内核线程可以通过调用set_freezable()以清除自己的PF_NOFREEZE标志（强烈建议不要直接重置PF_NOFREEZE标志）。如果一个线程被认为是可冷冻的，最好还是在合适的地方调用try_to_freeze()函数。

IV.                我们为什么要冷冻任务？

一般而言，下面两点原因可以解释为什么要冷冻任务：

1.       最主要的原因是防止文件系统在休眠之后被破坏。在没有简单意义上的检查点文件系统的情况下，对磁盘上的数据和（或）元数据的任何修改，都将使文件系统无法还原。于此同时，每个休眠映像都包含一些文件系统相关的信息，这些信息必须与系统内存状态存储在休眠映像中时的盘上数据及元数据保持一致（否则文件系统将被以一种可怕的方式破坏掉，而这种破坏通常是无法修复的）。因而，我们将那些可能会引起盘上文件系统的数据及元数据在创建休眠映像以后到系统真正被断电以前被修改的任务冷冻起来（好长的句子）。这些任务中的大多数是用户空间进程，但是，如果一个内核线程可能引起上述状况，也应该被冷冻起来。

2.       其次，为了创建休眠映像，我们需要释放足够的内存空间（大概是整个可用RAM的50%），而且需要在设备被重新激活以前完成这个工作，因为我们通常需要这些设备来支持“换出”。在释放了足够的内存之后，我们不期望任务再来申请内存，因而还是在此之前将它们冷冻了比较好。(当然，这也意味着设备驱动将在休眠之前不能通过它们的.suspend()回调操作申请大块的内存，但是这是一个e separate issue.)

3.       第三个原因是为了避免用户空间进程及一些内核线程干扰设备的挂起和恢复操作。举个例子，在我们正在挂起某个设备时，某个运行在另一个CPU上的用户空间进程可能会造成麻烦。如果不冷冻这些任务，我们就需要一些防止竞态的保护措施，因为在这种情况下，可能会出现竞态。

Linus不喜欢任务冷冻，他在LKML(http://lkml.org/lkml/2007/4/27/608)中说过下面这段话：

RJW：从本质上，为什么我们要冷冻任务？问什么我们要冷冻内核线程？

Linus：有很多原因，’在本质上’。[‘at all’]

我终于理解了IO请求队列的问题，我们不能真的在DMA中间对某些设备进行s2ram。因而，如果能够避免它，那么就不存在问题了。而且，我猜想终止[stopping]用户线程，并等待一个同步是比较容易实现的。

所以，在实现上，’at all’[不知道如何翻译]可能变成’为什么冷冻内核线程?’，对用户线程的冷冻并没有引起我的不快。

当然，有一些内核线程主动的想要被冷冻，举个例子，对与某个隶属于设备驱动的内核线程，该线程可以直接访问该设备，它在原则上需要知道该设备什么时候被挂起，那么在挂起期间，它就不会去尝试访问此设备。不过，如果这个内核线程是可冷冻的，它在设备的回调操作.suspend()被调用以前就会被冷冻起来了，直到此设备的.resume回调函数被调用后才会解冻。因而，它就不会在设备挂起期间尝试访问设备了。

4.       另外一个冷冻任务的原因是，阻止用户空间进程意识到是否发生了休眠（或挂起）操作。在理想的状态下，用户空间进程不应受到此类系统级操作的影响，而且在系统恢复时，能够完美的继续执行。不幸的是，如果离开了任务冷冻机制的帮助，在大多数普通情况下是很难实现这种期望的。让我们来考虑一个例子，一个进程在执行时，需要所有的CPU都处于在线[online]状态。因为我们在休眠时需要禁用所有的非启动CPU，那么在任务没有被冷冻的情况下，它可能会感知到CPU数目的变化，并且因而无法正常工作。

V.                  还有什么与任务冷冻相关的问题吗？

是的，还有一些。

首先，如果内核线程彼此依赖，那么对它们的冷冻会有一些麻烦。比如说，如果内核线程A正在等待(处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态)一个可冷冻任务B完成某个操作，而与此同时，B被冷冻了。那么A必须被阻塞直到B解冻为止，这个时间是无法预期的。这就是内核线程为什么在默认条件下是不可冷冻的原因。

第二，用户空间进程的冷冻也存在2个问题：

1.       将进程转入不可唤醒的睡眠会引起负载失衡。

2.       现在我们使用了FUSE框架，可以在用户空间中执行设备驱动。那么用户空间进程便需要执行内核线程常做的排序操作，这便使问题变得更加复杂。(https://lists.linux-foundation.org/pipermail/linux-pm/2007-May/012309.html)

问题1似乎是可以被解决的，虽然现在还没有解决。另外一个问题则更严重一点，不过貌似可以使用休眠（挂起）通知链的方法加以解决。（在这种情况下，我们无需避免用户空间进程对休眠操作的感知。）

还存在一些由任务冷冻引起的问题，虽然这些问题并不和任务冷冻直接相关。比如，如果函数request_firmware()在一个设备驱动的.resume()例程中被调用，它将会超时，并最终失败，因为需要响应此操作的用户空间进程可能被冷冻了。因此，这个问题看起来是由任务冷冻引起的。假设相关的firmware文件存放于需要通过其它设备进行访问的文件系统中，而该设备尚未恢复[resume]。在此情况下，无论相关的任务是否被冷冻，request_firmware()都会失败。所以，该问题并非真的与任务冷冻相关，其它原因也会引起此问题的出现。

一个驱动必须在suspend()被调用之前拥有它所需的所有的firmwares。如果这不太可能实现，比如这些firmwares过大，就必须使用suspend通知链尽早的申请它们。相关的API在notifiers.txt中有介绍。

arethe
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// 遍历所有任务，尝试冻结 for_each_process_thread(p) { // 跳过不可冻结的任务（如设置了PF_NOFREEZE的内核线程） if (p->flags & PF_NOFREEZE) continue; // 设置冻结标志（TIF_FREEZE） set_freeze_flag(p); // 如果是用户进程，发送虚假信号以唤醒它（如果它在睡眠） if (p->mm) { fake_signal_wake_up(p); } else { // 内核线程：如果它正在等待事件，则唤醒它以便它可以检查冻结标志 if (p->state == TASK_INTERRUPTIBLE || p->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE) wake_up_state(p, p->state); } } // 等待所有任务进入冰箱 while (true) { unsigned int todo = 0; for_each_process_thread(p) { if (p->flags & PF_NOFREEZE) continue; // 如果任务还没有冻结（即没有设置PF_FROZEN），则计数 if (!frozen(p)) { todo++; } } // 如果没有任务需要冻结了，则跳出循环 if (!todo) break; // 超时处理 if (timeout-- == 0) { pr_err("Freezing of tasks failed after %d ms (%d tasks refusing to freeze)\n", 1000, todo); return false; } // 等待一段时间 msleep(10); } return true; } ``` 注意：上述代码仅为示意，实际内核代码更复杂，包括锁、内存屏障、以及处理各种边界情况。 另外，引用[1]中提到，用户空间进程的冻结是通过信号处理程序自动调用`try_to_freeze()`的，而内核线程需要显式调用`try_to_freeze()`。因此，在编写内核线程时，应该使用`wait_event_freezable()`或在循环中插入`try_to_freeze()`。 例如，一个可冻结的内核线程应该这样写： ```c #include <linux/freezer.h> #include <linux/kthread.h> int my_kthread(void *data) { set_freezable(); // 允许冻结 while (!kthread_should_stop()) { // 等待事件，并且可冻结 wait_event_freezable(my_event, condition); // 或者，在循环中显式检查冻结 try_to_freeze(); // 执行任务 } return 0; } ``` 如果用户想要在用户空间模拟冻结操作（例如，暂停一组进程），可以使用信号（如SIGSTOP）来暂停进程，使用SIGCONT来恢复。但这不是内核的冻结机制，内核冻结机制更为复杂，因为它需要确保任务在安全点（不会操作内存或文件系统）被冻结。 在用户空间，可以使用以下命令来暂停和继续进程： ```bash # 暂停进程 kill -SIGSTOP <pid> # 继续进程 kill -SIGCONT <pid> ``` 但是，请注意，这不能完全达到内核冻结机制的效果，因为内核冻结机制会确保任务在进入冰箱前完成关键操作，而SIGSTOP是立即暂停的。 总结： 1. 在内核中实现冻结所有任务的操作，需要遍历所有任务，设置冻结标志，唤醒任务以便它们可以进入冰箱，然后等待所有任务冻结。 2. 用户空间无法直接实现内核的冻结机制，但可以通过信号暂停进程。 相关问题： 1. 在Linux内核中，如何编写一个可被安全冻结的内核线程？ 2. 冻结任务时，为什么需要先暂停工作队列？ 3. 如何诊断冻结任务失败（超时）的问题？ 4. 在用户空间中，如何模拟进程冻结？</think>### 实现 `freeze_all_tasks` 操作的方法详解 在 Linux 内核中，`freeze_all_tasks` 操作的核心是**通过设置任务标志位和信号机制，强制所有可冻结任务进入不可运行状态**。以下是具体实现步骤和原理： --- #### 一、核心实现步骤 1. **设置全局冻结标志** 通过原子操作标记系统进入冻结状态： ```c atomic_set(&system_freezing_cnt, 1); // 全局计数器标记冻结开始 freeze_workqueues_begin(); // 暂停工作队列 ``` 2. **遍历并冻结任务** 遍历所有任务，通过 `freeze_task()` 函数处理： ```c for_each_process_thread(p) { if (freezing(p) && !freeze_task(p)) { // 处理冻结失败 } } ``` - **用户进程**：发送虚假信号（Fake Signal）唤醒进程，触发信号处理函数调用 `try_to_freeze()`[^1] - **内核线程**：直接唤醒线程，要求其显式调用 `try_to_freeze()`[^1] 3. **强制任务进入冰箱状态** 任务响应冻结请求后进入 `refrigerator()` 函数： ```c void refrigerator(void) { set_task_state(current, TASK_UNINTERRUPTIBLE); // 不可中断睡眠 set_mm_exe_file(current->mm, NULL); // 释放执行文件锁 while (frozen(current)) // 循环等待解冻 schedule(); } ``` - 设置 `PF_FROZEN` 标志 - 状态转为 `TASK_UNINTERRUPTIBLE` - 循环等待直到解冻信号[^1] --- #### 二、关键代码实现 ##### 1. 任务冻结函数 (`freeze_task`) ```c bool freeze_task(struct task_struct *p) { if (p->flags & PF_FROZEN) return true; // 已冻结则跳过 set_freeze_flag(p); // 设置 TIF_FREEZE 标志 smp_mb(); if (should_send_signal(p)) fake_signal_wake_up(p); // 用户进程：发送虚假信号 else if (p->state == TASK_INTERRUPTIBLE) wake_up_state(p, TASK_INTERRUPTIBLE); // 内核线程：唤醒 return wait_task_frozen(p); // 等待冻结完成 } ``` ##### 2. 安全冻结检查点 (`try_to_freeze`) ```c static inline void try_to_freeze(void) { if (test_thread_flag(TIF_FREEZE)) // 检查冻结标志 refrigerator(); // 进入冰箱 } ``` **最佳实践**：在内核线程循环中插入检查点 ```c while (!kthread_should_stop()) { try_to_freeze(); // 安全冻结点 // ... 业务逻辑 } ``` --- #### 三、操作验证方法 1. **手动触发系统冻结** ```bash echo freeze > /sys/power/state ``` 2. **检查任务状态** ```bash # 查看冻结状态 (PF_FROZEN 标志) grep -l "F" /proc/*/task/*/status | xargs grep "State:" # 查看未冻结的任务 ps -eo pid,comm,args | grep -v "F" ``` 3. **调试冻结过程** ```bash # 跟踪函数调用 echo 'try_to_freeze_tasks' > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer ``` --- #### 四、常见问题解决 | 问题现象 | 原因 | 解决方案 | |---------|------|---------| | 冻结超时 | 死循环未调用 `try_to_freeze()` | 检查 `/proc/<PID>/stack` 定位卡点[^1] | | 关键线程被冻结 | 未设置 `PF_NOFREEZE` 标志 | 为调度器/内存管理线程添加标志[^2] | | 用户进程未冻结 | 信号处理被阻塞 | 检查进程的 `sigprocmask` 状态 | --- #### 五、最佳实践示例 ##### 可冻结内核线程模板 ```c #include <linux/freezer.h> int kernel_thread_func(void *data) { set_freezable(); // 声明可冻结 while (!kthread_should_stop()) { wait_event_freezable(wq, condition); // 可冻结的等待 try_to_freeze(); // 显式检查点 // ... 业务逻辑 } return 0; } ``` ##### 解冻操作 (`__thaw_task`) ```c void __thaw_task(struct task_struct *p) { clear_freeze_flag(p); // 清除 TIF_FREEZE smp_mb__after_atomic(); wake_up_process(p); // 唤醒任务[^2] } ``` --- ### 相关问题 1. 如何诊断冻结超时（`try_to_freeze_tasks` 返回 `false`）的具体原因？ 2. 为什么 `kswapd` 等内存管理线程需要特殊处理冻结逻辑[^2]？ 3. 在多核 CPU 中冻结任务时如何保证原子性？ 4. 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