Linux的进程ID号怎么实现

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  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，因此只要分配更多的内存空间，即可向数组添加附加的项。

  由于所有共享同一ID的task_struct实例都按进程存储在一个散列表中，因此需要在struct task_struct中增加一个散列表元素在sched.h文件内进程的结构头定义内有

struct task_struct {...
	/* PID/PID hash table linkage. */
	struct pid			*thread_pid;
	struct hlist_node		pid_links[PIDTYPE_MAX];
	struct list_head		thread_group;
	struct list_head		thread_node;...};

  将task_struct连接到表头在pid_links中的散列表上。

2.2.3、查找PID

  假如已经分配了struct pid的一个新实例，并设置用于给定的ID类型。它会如下附加到task_struct，在kernel/pid.c文件内：

static struct pid **task_pid_ptr(struct task_struct *task, enum pid_type type){
	return (type == PIDTYPE_PID) ?
		&task->thread_pid :
		&task->signal->pids[type];}/*
 * attach_pid() must be called with the tasklist_lock write-held.
 */void attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type){
	struct pid *pid = *task_pid_ptr(task, type);
	hlist_add_head_rcu(&task->pid_links[type], &pid->tasks[type]);}

  这里建立了双向连接： task_struct可以通过task_struct->pids[type]->pid访问pid实例。而从pid实例开始，可以遍历tasks[type]散列表找到task_struct。 hlist_add_head_rcu是遍历散列表的标准函数。

三、生成唯一的PID

  除了管理PID之外，内核还负责提供机制来生成唯一的PID。为跟踪已经分配和仍然可用的PID，内核使用一个大的位图，其中每个PID由一个比特标识。 PID的值可通过对应比特在位图中的位置计算而来。因此，分配一个空闲的PID，本质上就等同于寻找位图中第一个值为0的比特，接下来将该比特设置为1。反之，释放一个PID可通过将对应的比特从1切换为0来实现。在建立一个新进程时，进程可能在多个命名空间中是可见的。对每个这样的命名空间，都需要生成一个局部PID。这是在alloc_pid中处理的，在文件kernel/pid.c内有：

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns, pid_t *set_tid,
		      size_t set_tid_size){
	struct pid *pid;
	enum pid_type type;
	int i, nr;
	struct pid_namespace *tmp;
	struct upid *upid;
	int retval = -ENOMEM;

	/*
	 * set_tid_size contains the size of the set_tid array. Starting at
	 * the most nested currently active PID namespace it tells alloc_pid()
	 * which PID to set for a process in that most nested PID namespace
	 * up to set_tid_size PID namespaces. It does not have to set the PID
	 * for a process in all nested PID namespaces but set_tid_size must
	 * never be greater than the current ns->level + 1.
	 */
	if (set_tid_size > ns->level + 1)
		return ERR_PTR(-EINVAL);

	pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);
	if (!pid)
		return ERR_PTR(retval);

	tmp = ns;
	pid->level = ns->level;

	for (i = ns->level; i >= 0; i--) {
		int tid = 0;

		if (set_tid_size) {
			tid = set_tid[ns->level - i];

			retval = -EINVAL;
			if (tid < 1 || tid >= pid_max)
				goto out_free;
			/*
			 * Also fail if a PID != 1 is requested and
			 * no PID 1 exists.
			 */
			if (tid != 1 && !tmp->child_reaper)
				goto out_free;
			retval = -EPERM;
			if (!checkpoint_restore_ns_capable(tmp->user_ns))
				goto out_free;
			set_tid_size--;
		}

		idr_preload(GFP_KERNEL);
		spin_lock_irq(&pidmap_lock);

		if (tid) {
			nr = idr_alloc(&tmp->idr, NULL, tid,
				       tid + 1, GFP_ATOMIC);
			/*
			 * If ENOSPC is returned it means that the PID is
			 * alreay in use. Return EEXIST in that case.
			 */
			if (nr == -ENOSPC)
				nr = -EEXIST;
		} else {
			int pid_min = 1;
			/*
			 * init really needs pid 1, but after reaching the
			 * maximum wrap back to RESERVED_PIDS
			 */
			if (idr_get_cursor(&tmp->idr) > RESERVED_PIDS)
				pid_min = RESERVED_PIDS;

			/*
			 * Store a null pointer so find_pid_ns does not find
			 * a partially initialized PID (see below).
			 */
			nr = idr_alloc_cyclic(&tmp->idr, NULL, pid_min,
					      pid_max, GFP_ATOMIC);
		}
		spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
		idr_preload_end();

		if (nr < 0) {
			retval = (nr == -ENOSPC) ? -EAGAIN : nr;
			goto out_free;
		}

		pid->numbers[i].nr = nr;
		pid->numbers[i].ns = tmp;
		tmp = tmp->parent;
	}

	/*
	 * ENOMEM is not the most obvious choice especially for the case
	 * where the child subreaper has already exited and the pid
	 * namespace denies the creation of any new processes. But ENOMEM
	 * is what we have exposed to userspace for a long time and it is
	 * documented behavior for pid namespaces. So we can't easily
	 * change it even if there were an error code better suited.
	 */
	retval = -ENOMEM;

	get_pid_ns(ns);
	refcount_set(&pid->count, 1);
	spin_lock_init(&pid->lock);
	for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
		INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);

	init_waitqueue_head(&pid->wait_pidfd);
	INIT_HLIST_HEAD(&pid->inodes);

	upid = pid->numbers + ns->level;
	spin_lock_irq(&pidmap_lock);
	if (!(ns->pid_allocated & PIDNS_ADDING))
		goto out_unlock;
	for ( ; upid >= pid->numbers; --upid) {
		/* Make the PID visible to find_pid_ns. */
		idr_replace(&upid->ns->idr, pid, upid->nr);
		upid->ns->pid_allocated++;
	}
	spin_unlock_irq(&pidmap_lock);

	return pid;out_unlock:
	spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
	put_pid_ns(ns);out_free:
	spin_lock_irq(&pidmap_lock);
	while (++i <= ns->level) {
		upid = pid->numbers + i;
		idr_remove(&upid->ns->idr, upid->nr);
	}

	/* On failure to allocate the first pid, reset the state */
	if (ns->pid_allocated == PIDNS_ADDING)
		idr_set_cursor(&ns->idr, 0);

	spin_unlock_irq(&pidmap_lock);

	kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
	return ERR_PTR(retval);}

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