Linux内核学习之2号进程kthreadd

• Author       : Toney
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• Date          : 2020.12.04
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• Version    ： Linux-4.19.y
• Reference：https://www.linux.org/

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目录

一、Linux的2号进程

二、kthreadd进程的创建

三、kthreadd进程执行体

四、create_kthread函数

五、小结

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一、Linux的2号进程

说起Linux进程，学习Linux系统的大部分人都知道1号进程为init进程，人们就是这样只记得第一，却很少人记得第二。（经典问题：第一个宇航员是加加林，第二呢？ 世界最高峰为珠穆朗玛峰，第二、第三、第四呢？…经典翻车问题）。下面直接看看2号进程：

UID         PID   PPID  C STIME TTY          TIME CMD

root          1      0  0 11月21 ?      00:00:17 /sbin/init splash

root          2      0  0 11月21 ?      00:00:00 [kthreadd]

root          3      2  0 11月21 ?      00:00:00 [rcu_gp]

root          4      2  0 11月21 ?      00:00:00 [rcu_par_gp]

root          6      2  0 11月21 ?      00:00:00 [kworker/0:0H-kb]

root         10      2  0 11月21 ?      00:00:15 [ksoftirqd/0]

root         24      2  0 11月21 ?      00:00:00 [khugepaged]

root         71      2  0 11月21 ?      00:00:00 [kblockd]

root         78      2  0 11月21 ?      00:00:00 [watchdogd]

root        138      2  0 11月21 ?      00:00:00 [kworker/u257:0]

root        151      2  0 11月21 ?      00:00:00 [charger_manager]

root        228      2  0 11月21 ?      00:00:01 [irq/16-vmwgfx]

root        229      2  0 11月21 ?      00:00:00 [scsi_tmf_7]

root        230      2  0 11月21 ?      00:00:00 [ttm_swap]

是的，kthreadd就是Linux的2号进程，这个进程在Linux内核中非常的重要，他是其他内核线程的父进程或者祖先进程(这个可以通过上面的PPID为2的进程可以看出，这些重要线程包括kworker、kblockd、khugepaged…)，下面便慢慢来介绍下kthreadd进程。

二、kthreadd进程的创建

kthreadd进程是在内核初始化start_kernel（）的最后rest_init（）函数中，由0号进程（swapper进程）创建了两个进程：

• init进程（PID = 1, PPID = 0）
• kthreadd进程（PID = 2, PPID = 0）

内核中的其他线程PPID都是2， 说明这些线程都是由kthreadd进程创建的，因此可以说kthreadd进程负责内核线程的创建、维护等工作，是其他线程的基础。实际上也确实如此，kthreadd就是专门负责内核线程管理工作的。

static noinline void __ref rest_init(void)

{

struct task_struct *tsk;

int pid;

… …

rcu_scheduler_starting();

pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

… …

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

… …

complete(&kthreadd_done);/*等待kthreadd创建完毕*/

}/*linux-4.19*/

由于Linux-2.6.12版本中rest_init函数中只创建了init进程，而kthreadd进程的创建我没有找到，因此这里引用了Linux-4.19版本中的rest_init函数部分代码。这个版本中清楚的显示了创建init进程和kthreadd进程。

创建完毕后，Linux系统需要借助ktheadd进程实现腾飞，因此在这里等待kthreadd进程创建完毕。

三、kthreadd进程执行体

在创建线程时，是需要传递线程执行函数的，从rest_init（）中使用kernel_thread创建线程可知kthreadd线程执行体是kthreadd（）函数。

int kthreadd(void *unused)
{
	struct task_struct *tsk = current;

	/* Setup a clean context for our children to inherit. */
	set_task_comm(tsk, "kthreadd");
	ignore_signals(tsk);
	set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);/*允许kthreadd在任意cpu上执行*/
	set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);

	current->flags |= PF_NOFREEZE;
	cgroup_init_kthreadd();

	for (;;) {
		set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/*将当前状态设置为可中断*/
		if (list_empty(&kthread_create_list))/*如果没有线程需要创建，则主动出让cpu*/
			schedule();
		__set_current_state(TASK_RUNNING);/*有线程需要创建，更新运行状态*/

		spin_lock(&kthread_create_lock);/*加锁保护队列*/
		while (!list_empty(&kthread_create_list)) {/*依次取出任务*/
			struct kthread_create_info *create;

			create = list_entry(kthread_create_list.next,
					    struct kthread_create_info, list);
			list_del_init(&create->list);/*从任务列表中摘除*/
			spin_unlock(&kthread_create_lock);

			create_kthread(create);/*创建线程*/

			spin_lock(&kthread_create_lock);
		}
		spin_unlock(&kthread_create_lock);/*去锁*/
	}

	return 0;
}

从上述代码中可以看出：kthreadd进程的任务就是等待创建线程，如果任务队列为空，则线程主动让出cpu（调用schedule后会让出cpu,本线程会睡眠）：如果不为空，则依次从任务队列中取出任务，然后创建相应的线程。如此往复，直到永远…

四、create_kthread函数

在create_kthread函数中会通过调用kernel_thread函数来创建新进程，且新进程的执行函数为kthread（所有经过kthreadd进程创建的进程执行体都为kthead, 看名字有点晕哈…）。

static void create_kthread(struct kthread_create_info *create)
{
	int pid;

#ifdef CONFIG_NUMA
	current->pref_node_fork = create->node;
#endif
	/* We want our own signal handler (we take no signals by default). */
	pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);/*开始创建线程，会阻塞*/
	if (pid < 0) {
		/* If user was SIGKILLed, I release the structure. */
		struct completion *done = xchg(&create->done, NULL);

		if (!done) {
			kfree(create);
			return;
		}
		create->result = ERR_PTR(pid);
		complete(done);
	}
}

kernel_thread接口刚才在rest_init接口中遇到过，内核就是通过kernel_thread接口创建的init进程和kthreadd进程。这里再次使用它创建新线程，新的线程执行体统一为kthead。下面我们看看kthread函数的内容：

static int kthread(void *_create)
{
	/* Copy data: it's on kthread's stack */
	struct kthread_create_info *create = _create;
	int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn;
	void *data = create->data;
	struct completion *done;
	struct kthread *self;
	int ret;

	self = kzalloc(sizeof(*self), GFP_KERNEL);
	set_kthread_struct(self);

	/* If user was SIGKILLed, I release the structure. */
	done = xchg(&create->done, NULL);
	if (!done) {
		kfree(create);
		do_exit(-EINTR);
	}

	if (!self) {
		create->result = ERR_PTR(-ENOMEM);
		complete(done);
		do_exit(-ENOMEM);
	}

	self->data = data;
	init_completion(&self->exited);
	init_completion(&self->parked);
	current->vfork_done = &self->exited;

	/* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
	__set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
	create->result = current;
	complete(done);
	schedule();/*睡眠，一直。直到被唤醒*/

	ret = -EINTR;
	if (!test_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &self->flags)) {/*唤醒后如果此线程不需要stop*/
		cgroup_kthread_ready();
		__kthread_parkme(self);
		ret = threadfn(data);/*执行指定的函数体*/
	}
	do_exit(ret);
}

从kthread函数可以看出，新线程创建成功后，会一直睡眠（使用schedule主动让出CPU并睡眠），直到有人唤醒它（wake_up_process）;线程被唤醒后，并且不需要stop, 则执行指定的函数体（ threadfn(data) ）。

五、小结

我使用一幅图来简单的描述下内核中kthreadd的工作流程：

上图中显示了内核创建线程的基本流程：

①某一个线程A（左上那个圈）调用kthread_create函数来创建新线程，调用后阻塞；kthread_create会将任务封装后添加到kthreadd监控的工作队列中；

②kthreadd进程检测到工作队列中有任务，则结束休眠状态，通过调用create_kthread函数创建线程，最后调用到kernel_thread --> do_fork来创建线程，且新线程执行体为kthead

③新线程创建成功后，执行kthead，kthreadd线程则继续睡眠等待创建新进程；

④线程A调用kthread_create返回后，在合适的时候通过wake_up_process(pid)来唤醒新创建的线程

⑤新创建的线程在kthead执行体中被唤醒，检测到是否需要stop,在不需要stop时，执行用户指定的线程执行体。（线程执行体发生了变化：先执行默认的kthead,然后才是用户指定的threadfn，当然也可能直接执行do_exit退出线程）