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一起分析Linux经典技巧之进程ID号

本篇文章给大家带来了linux中进程ID号分析的相关知识,Linux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,下面就一起来看一下相关问题,希望对大家有帮助。

一起分析Linux经典技巧之进程ID号

  本文中的代码摘自 Linux内核5.15.13版本。

  Linux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。

一、进程ID

1.1、其他ID

  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

  1、 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。

  2、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。

  3、 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。

1.2、全局ID和局部ID

  名空间增加了PID管理的复杂性。 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。

  1、 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。

  2、 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。

1.3、ID实现

  全局PID和TGID直接保存在task_struct中,分别是task_struct的pid和tgid成员,在sched.h文件里:

struct task_struct {...pid_t pid;pid_t tgid;...}

  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。

二、管理PID

  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。

2.1、PID命名空间的表示方式

  在pid_namespace.h文件内有如下定义:

struct pid_namespace { 	struct idr idr; 	struct rcu_head rcu; 	unsigned int pid_allocated; 	struct task_struct *child_reaper; 	struct kmem_cache *pid_cachep; 	unsigned int level; 	struct pid_namespace *parent;#ifdef CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT 	struct fs_pin *bacct;#endif 	struct user_namespace *user_ns; 	struct ucounts *ucounts; 	int reboot;	/* group exit code if this pidns was rebooted */ 	struct ns_common ns;} __randomize_layout;

  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, level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。

2.2、PID的管理

2.2.1、PID的数据结构

  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。两个结构的定义在文件pid.h内,分别如下:

/*  * What is struct pid?  *  * A struct pid is the kernel's internal notion of a process identifier.  * It refers to inpidual tasks, process groups, and sessions.  While  * there are processes attached to it the struct pid lives in a hash  * table, so it and then the processes that it refers to can be found  * quickly from the numeric pid value.  The attached processes may be  * quickly accessed by following pointers from struct pid.  *  * Storing pid_t values in the kernel and referring to them later has a  * problem.  The process originally with that pid may have exited and the  * pid allocator wrapped, and another process could have come along  * and been assigned that pid.  *  * Referring to user space processes by holding a reference to struct  * task_struct has a problem.  When the user space process exits  * the now useless task_struct is still kept.  A task_struct plus a  * stack consumes around 10K of low kernel memory.  More precisely  * this is THREAD_SIZE + sizeof(struct task_struct).  By comparison  * a struct pid is about 64 bytes.  *  * Holding a reference to struct pid solves both of these problems.  * It is small so holding a reference does not consume a lot of  * resources, and since a new struct pid is allocated when the numeric pid  * value is reused (when pids wrap around) we don't mistakenly refer to new  * processes.  *//*  * struct upid is used to get the id of the struct pid, as it is  * seen in particular namespace. Later the struct pid is found with  * find_pid_ns() using the int nr and struct pid_namespace *ns.  */struct upid { 	int nr; 	struct pid_namespace *ns;};struct pid{ 	refcount_t count; 	unsigned int level; 	spinlock_t lock; 	/* lists of tasks that use this pid */ 	struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; 	struct hlist_head inodes; 	/* wait queue for pidfd notifications */ 	wait_queue_head_t wait_pidfd; 	struct rcu_head rcu; 	struct upid numbers[1];};

  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。 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:

enum pid_type{ 	PIDTYPE_PID, 	PIDTYPE_TGID, 	PIDTYPE_PGID, 	PIDTYPE_SID, 	PIDTYPE_MAX,};

2.2.2、PID与进程的联系

  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

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