一文解讀Linux進程凍結技術

1 什么是進程凍結

進程凍結技術（freezing of tasks）是指在系統(tǒng)hibernate或者suspend的時候，將用戶進程和部分內(nèi)核線程置于“可控”的暫停狀態(tài)。

2 為什么需要凍結技術

假設沒有凍結技術，進程可以在任意可調(diào)度的點暫停，而且直到cpu_down才會暫停并遷移。這會給系統(tǒng)帶來很多問題：

（1）有可能破壞文件系統(tǒng)。在系統(tǒng)創(chuàng)建hibernate image到cpu down之間，如果有進程還在修改文件系統(tǒng)的內(nèi)容，這將會導致系統(tǒng)恢復之后無法完全恢復文件系統(tǒng)；

（2）有可能導致創(chuàng)建hibernation image失敗。創(chuàng)建hibernation image需要足夠的內(nèi)存空間，但是在這期間如果還有進程在申請內(nèi)存，就可能導致創(chuàng)建失敗；

（3）有可能干擾設備的suspend和resume。在cpu down之前，device suspend期間，如果進程還在訪問設備，尤其是訪問競爭資源，就有可能引起設備suspend異常；

（4）有可能導致進程感知系統(tǒng)休眠。系統(tǒng)休眠的理想狀態(tài)是所有任務對休眠過程無感知，睡醒之后全部自動恢復工作，但是有些進程，比如某個進程需要所有cpu online才能正常工作，如果進程不凍結，那么在休眠過程中將會工作異常。

3 代碼實現(xiàn)框架

凍結的對象是內(nèi)核中可以被調(diào)度執(zhí)行的實體，包括用戶進程、內(nèi)核線程和work_queue。用戶進程默認是可以被凍結的，借用信號處理機制實現(xiàn)；內(nèi)核線程和work_queue默認是不能被凍結的，少數(shù)內(nèi)核線程和work_queue在創(chuàng)建時指定了freezable標志，這些任務需要對freeze狀態(tài)進行判斷，當系統(tǒng)進入freezing時，主動暫停運行。

kernel threads可以通過調(diào)用kthread_freezable_should_stop來判斷freezing狀態(tài)，并主動調(diào)用__refrigerator進入凍結；work_queue通過判斷max_active屬性，如果max_active=0，則不能入隊新的work，所有work延后執(zhí)行。

標記系統(tǒng)freeze狀態(tài)的有三個重要的全局變量：pm_freezing、system_freezing_cnt和pm_nosig_freezing，如果全為0，表示系統(tǒng)未進入凍結；system_freezing_cnt》0表示系統(tǒng)進入凍結，pm_freezing=true表示凍結用戶進程，pm_nosig_freezing=true表示凍結內(nèi)核線程和workqueue。它們會在freeze_processes和freeze_kernel_threads中置位，在thaw_processes和thaw_kernel_threads中清零。

fake_signal_wake_up函數(shù)巧妙的利用了信號處理機制，只設置任務的TIF_SIGPENDING位，但不傳遞任何信號，然后喚醒任務；這樣任務在返回用戶態(tài)時會進入信號處理流程，檢查系統(tǒng)的freeze狀態(tài)，并做相應處理。

任務主動調(diào)用try_to_freeze的代碼如下：

static inline bool try_to_freeze_unsafe（void）

{

if （likely（！freezing（current））） //檢查系統(tǒng)是否處于freezing狀態(tài)

return false;

return __refrigerator（false）; //主動進入凍結

}

static inline bool freezing（struct task_struct *p）

{

if （likely（！atomic_read（&system_freezing_cnt））） //系統(tǒng)總體進入freezing

return false;

return freezing_slow_path（p）;

}

bool freezing_slow_path（struct task_struct *p）

{

if （p-》flags & PF_NOFREEZE） //當前進程是否允許凍結

return false;

if （pm_nosig_freezing || cgroup_freezing（p）） //系統(tǒng)凍結kernel threads

return true;

if （pm_freezing && ?。╬-》flags & PF_KTHREAD）） //系統(tǒng)凍結用戶進程

return true;

return false;

}

進入凍結狀態(tài)直到恢復的主要函數(shù)：bool __refrigerator（bool check_kthr_stop）

{

。..

for （;;） {

set_current_state（TASK_UNINTERRUPTIBLE）; //設置進程為UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)

spin_lock_irq（&freezer_lock）;

current-》flags |= PF_FROZEN; //設置已凍結狀態(tài)

if （！freezing（current） ||

（check_kthr_stop && kthread_should_stop（））） //判斷系統(tǒng)是否還處于凍結

current-》flags &= ~PF_FROZEN; //如果系統(tǒng)已解凍，則取消凍結狀態(tài)

spin_unlock_irq（&freezer_lock）;

if （?。╟urrent-》flags & PF_FROZEN）） //如果已取消凍結，跳出循環(huán)，恢復執(zhí)行

break;

was_frozen = true;

schedule（）;

}

。..。..

}

4 參考文獻

（1） http://www.wowotech.net/linux_kenrel/suspend_and_resume.html

（2） http://www.wowotech.net/linux_kenrel/std_str_func.html

（3） kenrel document： freezing-of-tasks.txt
編輯：hfy