linux cgroup代码学习(2)——数据结构整理

本文深入解析了Linux CGroup机制中的核心结构,包括task_struct、css_set、cgroup、cg_cgroup_link等,并详细阐述了它们之间的关联方式及作用。

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相关的结构

  • task_struct

定义了CONFIG_CGROUPS宏的话,task_struct和cgroup相关的变量有:

    /* Control Group info protected by css_set_lock */
    struct css_set __rcu *cgroups;//关联的css_set
    /* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
    struct list_head cg_list;//加入css_set中tasks链表,所有css_set相同的链表。
  • CSS_SET
struct css_set {

    /* Reference count */
    atomic_t refcount;//引用计数

    /*
     * List running through all cgroup groups in the same hash
     * slot. Protected by css_set_lock
     */
    struct hlist_node hlist;//具有hash的css_set 链表.

    /*
     * List running through all tasks using this cgroup
     * group. Protected by css_set_lock
     */
    struct list_head tasks;//所有具有相同css_set的task_struct链表。

    /*
     * List of cg_cgroup_link objects on link chains from
     * cgroups referenced from this css_set. Protected by
     * css_set_lock
     */
    struct list_head cg_links;//由cg_cgroup_link组成的链表,链表上每一项cg_cgroup_link都指向和css_set关联的cgroup.

    /*
     * Set of subsystem states, one for each subsystem. This array
     * is immutable after creation apart from the init_css_set
     * during subsystem registration (at boot time) and modular subsystem
     * loading/unloading.
     */
    /*
     *css_set关联的css.每一个subsystem对应数组中相应id的项。
     *subsys应当包括所有子系统的css.如果此css_set没有制定某个subsystem的css或者subsystem没有mount,则默认初始化为根css.
     */
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];

    /* For RCU-protected deletion */
    struct rcu_head rcu_head;
    }

css_set是直接和task关联的结构,css_set用来关联一组cgroup_subsys_state对象,同时通过cg_cgroup_link和所有相关的cgroup建立关联。

  • cgroup
struct cgroup {
    unsigned long flags;        /* "unsigned long" so bitops work */

    /*
     * count users of this cgroup. >0 means busy, but doesn't
     * necessarily indicate the number of tasks in the cgroup
     */
    atomic_t count;//cgroup引用计数

    int id;                /* ida allocated in-hierarchy ID */

    /*
     * We link our 'sibling' struct into our parent's 'children'.
     * Our children link their 'sibling' into our 'children'.
     */
    struct list_head sibling;    /* my parent's children */ //兄弟cgroup
    struct list_head children;    /* my children */ //child cgroups
    struct list_head files;        /* my files */

    struct cgroup *parent;        /* my parent */   //parent cgroup
    struct dentry *dentry;        /* cgroup fs entry, RCU protected */ //此cgroup对应的dentry

    /*
     * This is a copy of dentry->d_name, and it's needed because
     * we can't use dentry->d_name in cgroup_path().
     *
     * You must acquire rcu_read_lock() to access cgrp->name, and
     * the only place that can change it is rename(), which is
     * protected by parent dir's i_mutex.
     *
     * Normally you should use cgroup_name() wrapper rather than
     * access it directly.
     */
    struct cgroup_name __rcu *name; //cgroup的name,同dentry->d_name

    /* Private pointers for each registered subsystem */
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];//此cgroup关联subsystem的css结构,每个subsystem的css在数组中对应subsys[subsystem->subsys_id].

    struct cgroupfs_root *root;//cgroup所处的cgroupfs_root,对应hirerarchy    
    /*
     * List of cg_cgroup_links pointing at css_sets with
     * tasks in this cgroup. Protected by css_set_lock
     */
    struct list_head css_sets; //通过cs_cgroup_link指向此cgroup关联的css_set

    struct list_head allcg_node;    /* cgroupfs_root->allcg_list */
    struct list_head cft_q_node;    /* used during cftype add/rm */

    /*
     * Linked list running through all cgroups that can
     * potentially be reaped by the release agent. Protected by
     * release_list_lock
     */
    struct list_head release_list;

    /*
     * list of pidlists, up to two for each namespace (one for procs, one
     * for tasks); created on demand.
     */
    struct list_head pidlists;
    struct mutex pidlist_mutex;

    /* For RCU-protected deletion */
    struct rcu_head rcu_head;
    struct work_struct free_work;

    /* List of events which userspace want to receive */
    struct list_head event_list;
    spinlock_t event_list_lock;

    /* directory xattrs */
    struct simple_xattrs xattrs;
};

cgroup对应一个controll实例,需要和css_set关联,这样每个task_struct就可以通过task_struct->cgroups 继而和cgroup关联,达到控制和隔离资源的目的,那么css_set和cgroup具体是怎么关联的呢?
首先需要明确的是cgroup和css_set是多对多的关系,既:一个css_set可以对应多个cgroup,同时一个cgroup也可以被多个css_set所包含。
这种多对多的映射关系,是通过cg_cgroup_link这个中间结构来关联的。

/* Link structure for associating css_set objects with cgroups */
struct cg_cgroup_link {
    /*
     * List running through cg_cgroup_links associated with a
     * cgroup, anchored on cgroup->css_sets
     */
    struct list_head cgrp_link_list;
    struct cgroup *cgrp;
    /*
     * List running through cg_cgroup_links pointing at a
     * single css_set object, anchored on css_set->cg_links
     */
    struct list_head cg_link_list;
    struct css_set *cg;
};

一个cg_cgroup_link需要包含两类信息,即关联的cgroup和css_set信息,一个cg_cgroup_link可以让一个cgroup和一个css_set相关联。但是正如我们前面所说,css_set和cgroup是多对多的对应关系,所以,一个css_set需要保存多个cg_cgroup_link,一个cgroup也需要保存多个cg_cgroup_link信息。具体来说,css_set中的cg_links维护了一个链表,链表中的元素为cg_cgroup_link中的cg_link_list.cgroup中的css_set也维护了一个cg_cgroup_link链表,链表中元素为cgrp_link_list.结构如下图所示:

图片描述

  • cgroupfs_root

cgroup_root对应一个层级,从Linux 文件系统角度来讲,cgroupfs_root对应我们mount相应cgroup时创建的super_block.即,我们每进行一次mount操作,就对应一个cgroupfs_root的创建。

/*
 * A cgroupfs_root represents the root of a cgroup hierarchy, and may be
 * associated with a superblock to form an active hierarchy.  This is
 * internal to cgroup core.  Don't access directly from controllers.
 */
struct cgroupfs_root {
    //cgroupfs_root对应的super block
    struct super_block *sb;

    /*
     * The bitmask of subsystems intended to be attached to this
     * hierarchy
     */
    unsigned long subsys_mask;//此hierarchy层级中包含的子系统,以掩码表示

    /* Unique id for this hierarchy. */
    int hierarchy_id;//id

    /* The bitmask of subsystems currently attached to this hierarchy */
    unsigned long actual_subsys_mask;//TOBE DONE

    /* A list running through the attached subsystems */
    struct list_head subsys_list;//关联的cgroup_subsys list

    /* The root cgroup for this hierarchy */
    struct cgroup top_cgroup;// 此hierarchy的root cgroup

    /* Tracks how many cgroups are currently defined in hierarchy.*/
    int number_of_cgroups;//此hierarchy cgroup 数目

    /* A list running through the active hierarchies */
    struct list_head root_list; //系统中hierarchy链表 

    /* All cgroups on this root, cgroup_mutex protected */
    struct list_head allcg_list;//此hierarchy包含的所有的cgroup

    /* Hierarchy-specific flags */
    unsigned long flags;

    /* IDs for cgroups in this hierarchy */
    struct ida cgroup_ida;

    /* The path to use for release notifications. */
    char release_agent_path[PATH_MAX];

    /* The name for this hierarchy - may be empty */
    char name[MAX_CGROUP_ROOT_NAMELEN];
};
  • cgroup_subsys

对应特定的子系统。

/*
 * Control Group subsystem type.
 * See Documentation/cgroups/cgroups.txt for details
 */

struct cgroup_subsys {
    struct cgroup_subsys_state *(*css_alloc)(struct cgroup *cgrp);
    int (*css_online)(struct cgroup *cgrp);
    void (*css_offline)(struct cgroup *cgrp);
    void (*css_free)(struct cgroup *cgrp);

    int (*can_attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*cancel_attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*fork)(struct task_struct *task);
    void (*exit)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup *old_cgrp,
             struct task_struct *task);
    void (*bind)(struct cgroup *root);
    /*上面的针对不同的子系统指向不同的函数指针*/
    
    int subsys_id;// subsystem id
    int disabled;
    int early_init;//是否early_init
    /*
     * True if this subsys uses ID. ID is not available before cgroup_init()
     * (not available in early_init time.)
     */
    bool use_id;

    /*
     * If %false, this subsystem is properly hierarchical -
     * configuration, resource accounting and restriction on a parent
     * cgroup cover those of its children.  If %true, hierarchy support
     * is broken in some ways - some subsystems ignore hierarchy
     * completely while others are only implemented half-way.
     *
     * It's now disallowed to create nested cgroups if the subsystem is
     * broken and cgroup core will emit a warning message on such
     * cases.  Eventually, all subsystems will be made properly
     * hierarchical and this will go away.
     */
    bool broken_hierarchy;
    bool warned_broken_hierarchy;

#define MAX_CGROUP_TYPE_NAMELEN 32
    const char *name;

    /*
     * Link to parent, and list entry in parent's children.
     * Protected by cgroup_lock()
     */
    struct cgroupfs_root *root;//指向所属的hierarchy
    struct list_head sibling;
    /* used when use_id == true */
    struct idr idr;
    spinlock_t id_lock;

    /* list of cftype_sets */
    struct list_head cftsets;

    /* base cftypes, automatically [de]registered with subsys itself */
    struct cftype *base_cftypes;
    struct cftype_set base_cftset;

    /* should be defined only by modular subsystems */
    struct module *module;
    }
  • cgroup_subsys_state
/* Per-subsystem/per-cgroup state maintained by the system. */
struct cgroup_subsys_state {
/*
 * The cgroup that this subsystem is attached to. Useful
 * for subsystems that want to know about the cgroup
 * hierarchy structure
 */
struct cgroup *cgroup;//此css关联的cgroup. 1个cgroup可对应多个css

/*
 * State maintained by the cgroup system to allow subsystems
 * to be "busy". Should be accessed via css_get(),
 * css_tryget() and css_put().
 */

atomic_t refcnt;

unsigned long flags;
/* ID for this css, if possible */
struct css_id __rcu *id;

/* Used to put @cgroup->dentry on the last css_put() */
struct work_struct dput_work;
};

此外,还有几个cgroup相关的全局变量



 /*
 * The "rootnode" hierarchy is the "dummy hierarchy", reserved for the
 * subsystems that are otherwise unattached - it never has more than a
 * single cgroup, and all tasks are part of that cgroup.
 * 初始化默认cgroupfs_root. 系统初始化时所有的subsystem都关联到此hierarchy. 不可以在默认
 * hierarchy上创建cgroup,因此其只有一个默认的root cgroup.
 */
static struct cgroupfs_root rootnode;

/* The default css_set - used by init and its children prior to any
 * hierarchies being mounted. It contains a pointer to the root state
 * for each subsystem. Also used to anchor the list of css_sets. Not
 * reference-counted, to improve performance when child cgroups
 * haven't been created.
 * 初始化默认的css_set. 在没有hierarchy被mount之前,系统初始化时init及其子进程关联此css_set。
 * init_css_set->subsys指向每个subsys的root css.
 */
static struct css_set init_css_set;

/*
 * hash table for cgroup groups. This improves the performance to find
 * an existing css_set. This hash doesn't (currently) take into
 * account cgroups in empty hierarchies.
 * css_set的hash table.将task关联到指定css,就是将task->cgroup指针指向一个
 * css_set. css_set_table以css[]为key,相同的css集合,即为同一个css_set. 当有task需要关联到到一
 * 组css时,以css[]为key在hash table中查找是否存在,存在直接引用此key的css_set,否则创建css_set
 * 并添加到hash table.
 * 
#define CSS_SET_HASH_BITS    7
static DEFINE_HASHTABLE(css_set_table, CSS_SET_HASH_BITS);

<think>好的,我现在需要处理用户关于Linux内核隔离技术和实现的问题。首先,我得理解用户具体想知道什么。他们提到了“Linux kernel isolation techniques and implementation”,所以需要解释内核隔离的概念、具体技术以及实现方法。 首先,我应该回忆一下Linux内核隔离的基本概念。隔离技术主要是为了提升系统安全性,防止不同进程或组件之间的相互干扰。常见的隔离机制包括命名空间、cgroups、seccomp等。此外,可能还涉及安全模块如SELinux或AppArmor。 接下来,我需要参考用户提供的引用。引用[1]提到Linux维护者如何处理分支,这可能内核模块的管理有关,但不确定直接关联。引用[2]提到了array_index_mask_nospec,这似乎防范Spectre漏洞有关,属于CPU级别的隔离或安全措施。引用[3]和[4]看起来问题无关,可能可以忽略。 接下来需要结构化回答。用户希望了解技术和实现方法,所以分成几个部分可能更清晰。比如命名空间、cgroups、安全模块、硬件辅助隔离等。每个部分需要简要说明技术的作用和实现方式。 命名空间用于资源视图隔离,如PID、网络、挂载点等,实现方式是通过clone()或unshare()系统调用创建新的命名空间。cgroups用于资源限制,通过文件系统接口管理进程的资源配额。Seccomp过滤系统调用,限制进程的能力。SELinux和AppArmor是强制访问控制,通过策略文件定义权限。硬件辅助隔离如KVM、Intel SGX,利用CPU特性增强隔离。 然后,引用相关的内容。例如,array_index_mask_nospec属于Spectre防御,可以归入硬件辅助或内核代码安全措施,引用[2]在此处适用。引用[1]可能在内核维护和模块管理方面相关,但需要确认是否隔离直接相关,可能可以提到维护者对模块的管控,但不确定是否需要引用。 此外,用户要求生成相关问题,我需要准备几个相关问题,比如不同隔离技术的比较、实际应用案例、性能影响等。 最后,确保回答符合格式要求:使用中文,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,但这个问题可能涉及较少数学公式,可能需要提到某些算法或模型,例如隔离策略的数学基础,但如果没有则不强制加入。引用标注要自然,比如在提到Spectre防御时引用[^2]。 现在需要检查是否有遗漏的技术点,比如Linux内核的Capabilities机制、LSM框架、eBPF在隔离中的应用等。这些是否需要包含?根据用户的问题,可能Capabilities和LSM属于安全模块部分,eBPF可能用于动态过滤和监控,属于实现方法的一部分。 总结结构: 1. 命名空间(Namespaces)——资源视图隔离 2. 控制组(cgroups)——资源限制 3. Seccomp——系统调用过滤 4. 安全模块(SELinux/AppArmor)——强制访问控制 5. 硬件辅助隔离(KVM/SGX) 6. 内核代码安全措施(如array_index_mask_nospec) 在实现部分,可以提及这些技术如何在内核代码中实现,比如命名空间相关的数据结构cgroups的层级结构,seccomp的BPF过滤器等。 现在需要将引用整合进去。引用[2]提到的array_index_mask_nospec属于第6点,用于防范侧信道攻击,可以在这里引用。其他引用可能用不上,但引用[1]关于内核维护和分支管理,可能可以关联到模块隔离或代码维护,但可能不太直接,可以视情况决定是否提及。 最后生成相关问题,例如: 1. 命名空间和cgroups有何区别联系? 2. 如何配置Seccomp来限制容器中的系统调用? 3. SELinux和AppArmor在实现上有哪些主要差异? 4. 硬件辅助隔离技术如何提升Linux内核的安全性? 5. Linux内核如何处理Spectre漏洞的防御? 检查是否符合用户的要求,回答结构是否清晰,是否有引用标注。确保没有使用Markdown格式,段落间用空行分隔,代码块用三个反引号包裹。</think>### Linux内核隔离技术实现方法 Linux内核通过多种技术实现进程和资源的隔离,以提高系统安全性和稳定性。以下是主要技术及其实现原理: #### 1. **命名空间(Namespaces)** 命名空间为进程提供独立的资源视图,包括PID、网络、挂载点等。例如,容器中的进程拥有独立的PID空间,无法看到宿主机上的其他进程。 - **实现方法**:通过`clone()`或`unshare()`系统调用创建新命名空间,内核为每个命名空间维护独立的数据结构[^1]。 - **常见类型**: - PID命名空间:隔离进程ID - Network命名空间:隔离网络接口 - Mount命名空间:隔离文件系统挂载点 #### 2. **控制组(cgroups)** cgroups限制进程组的资源使用(如CPU、内存),防止资源耗尽攻击。 - **实现方法**:通过虚拟文件系统(如`/sys/fs/cgroup`)配置资源配额,内核根据层级结构分配资源[^1]。 - **示例功能**: - `cpu.max`:限制CPU使用率 - `memory.high`:限制内存用量 #### 3. **Seccomp(安全计算模式)** Seccomp过滤进程的系统调用,减少攻击面。例如,容器中禁止执行`mount()`系统调用。 - **实现方法**:通过BPF(Berkeley Packet Filter)规则定义允许的系统调用列表,内核强制执行过滤。 #### 4. **安全模块(LSM框架)** Linux安全模块(LSM)如SELinux和AppArmor,通过强制访问控制(MAC)限制进程权限。 - **SELinux**:基于标签的策略,例如限制容器进程访问宿主机文件[^1]。 - **AppArmor**:基于路径的配置文件,例如禁止特定程序写入敏感目录。 #### 5. **硬件辅助隔离** 利用CPU特性增强隔离性: - **KVM虚拟化**:通过Intel VT-x/AMD-V技术实现虚拟机隔离。 - **Intel SGX**:创建受保护的“飞地”执行敏感代码。 #### 6. **内核代码安全加固** 针对侧信道攻击(如Spectre),内核引入防御措施: - `array_index_mask_nospec()`:防止越界访问导致的敏感数据泄露。 --- ###
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