Linux进程冻结技术

jiffes 2019-11-19

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作者：itrocker 发布于：2015-11-24 15:01

1 什么是进程冻结

进程冻结技术（freezing of tasks）是指在系统hibernate或者suspend的时候，将用户进程和部分内核线程置于“可控”的暂停状态。

2 为什么需要冻结技术

假设没有冻结技术，进程可以在任意可调度的点暂停，而且直到cpu_down才会暂停并迁移。这会给系统带来很多问题：

(1)有可能破坏文件系统。在系统创建hibernate image到cpu down之间，如果有进程还在修改文件系统的内容，这将会导致系统恢复之后无法完全恢复文件系统；

(2)有可能导致创建hibernation image失败。创建hibernation image需要足够的内存空间，但是在这期间如果还有进程在申请内存，就可能导致创建失败；

(3)有可能干扰设备的suspend和resume。在cpu down之前，device suspend期间，如果进程还在访问设备，尤其是访问竞争资源，就有可能引起设备suspend异常；

(4)有可能导致进程感知系统休眠。系统休眠的理想状态是所有任务对休眠过程无感知，睡醒之后全部自动恢复工作，但是有些进程，比如某个进程需要所有cpu online才能正常工作，如果进程不冻结，那么在休眠过程中将会工作异常。

3 代码实现框架

冻结的对象是内核中可以被调度执行的实体，包括用户进程、内核线程和work_queue。用户进程默认是可以被冻结的，借用信号处理机制实现；内核线程和work_queue默认是不能被冻结的，少数内核线程和work_queue在创建时指定了freezable标志，这些任务需要对freeze状态进行判断，当系统进入freezing时，主动暂停运行。

kernel threads可以通过调用kthread_freezable_should_stop来判断freezing状态，并主动调用__refrigerator进入冻结；work_queue通过判断max_active属性，如果max_active=0，则不能入队新的work，所有work延后执行。

标记系统freeze状态的有三个重要的全局变量：pm_freezing、system_freezing_cnt和pm_nosig_freezing，如果全为0，表示系统未进入冻结；system_freezing_cnt>0表示系统进入冻结，pm_freezing=true表示冻结用户进程，pm_nosig_freezing=true表示冻结内核线程和workqueue。它们会在freeze_processes和freeze_kernel_threads中置位，在thaw_processes和thaw_kernel_threads中清零。

fake_signal_wake_up函数巧妙的利用了信号处理机制，只设置任务的TIF_SIGPENDING位，但不传递任何信号，然后唤醒任务；这样任务在返回用户态时会进入信号处理流程，检查系统的freeze状态，并做相应处理。

任务主动调用try_to_freeze的代码如下：

static inline bool try_to_freeze_unsafe(void)
{
	if (likely(!freezing(current))) //检查系统是否处于freezing状态
		return false;
	return __refrigerator(false); //主动进入冻结
}
static inline bool freezing(struct task_struct *p)
{
	if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt))) //系统总体进入freezing
		return false;
	return freezing_slow_path(p);
}
bool freezing_slow_path(struct task_struct *p)
{
	if (p->flags & PF_NOFREEZE)  //当前进程是否允许冻结
		return false;
	if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p))  //系统冻结kernel threads
		return true;
	if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD)) //系统冻结用户进程
		return true;
	return false;
}

进入冻结状态直到恢复的主要函数:

bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)

{
...
	for (;;) {
		set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);  //设置进程为UNINTERRUPTIBLE状态
		spin_lock_irq(&freezer_lock);
		current->flags |= PF_FROZEN;  //设置已冻结状态
		if (!freezing(current) ||
(check_kthr_stop && kthread_should_stop())) //判断系统是否还处于冻结
			current->flags &= ~PF_FROZEN;  //如果系统已解冻，则取消冻结状态
		spin_unlock_irq(&freezer_lock);
		if (!(current->flags & PF_FROZEN))  //如果已取消冻结，跳出循环，恢复执行
			break;
		was_frozen = true;
		schedule();
	}
......
}