前言
Linux下有3个特殊的进程,idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)
- idle进程由系统自动创建, 运行在内核态
idle进程其pid=0,其前身是系统创建的第一个进程,也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后,演变为进程调度、交换
- init进程由idle通过kernel_thread创建,在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终用户空间
由0进程创建,完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程
Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动,然后在用户空间中启动init进程,再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后,init将变为守护进程监视系统其他进程。
- kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建,并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理
它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数,该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中,因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程
我们下面就详解分析0号进程的前世(init_task)今生(idle)
idle的创建
在smp系统中,每个处理器单元有独立的一个运行队列,而每个运行队列上又有一个idle进程,即有多少处理器单元,就有多少idle进程。
idle进程其pid=0,其前身是系统创建的第一个进程,也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。在smp系统中,每个处理器单元有独立的一个运行队列,而每个运行队列上又有一个idle进程,即有多少处理器单元,就有多少idle进程。系统的空闲时间,其实就是指idle进程的”运行时间”。既然是idle是进程,那我们来看看idle是如何被创建,又具体做了哪些事情?
我们知道系统是从BIOS加电自检,载入MBR中的引导程序(LILO/GRUB),再加载linux内核开始运行的,一直到指定shell开始运行告一段落,这时用户开始操作Linux。
0号进程上下文信息–init_task描述符
init_task是内核中所有进程、线程的task_struct雏形,在内核初始化过程中,通过静态定义构造出了一个task_struct接口,取名为init_task,然后在内核初始化的后期,通过rest_init()函数新建了内核init线程,kthreadd内核线程
- 内核init线程,最终执行/sbin/init进程,变为所有用户态程序的根进程(pstree命令显示),即用户空间的init进程
开始的init是有kthread_thread创建的内核线程, 他在完成初始化工作后, 转向用户空间, 并且生成所有用户进程的祖先
- 内核kthreadd内核线程,变为所有内核态其他守护线程的父线程。
它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数,该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中,因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程
所以init_task决定了系统所有进程、线程的基因, 它完成初始化后, 最终演变为0号进程idle, 并且运行在内核态
内核在初始化过程中,当创建完init和kthreadd内核线程后,内核会发生调度执行,此时内核将使用该init_task作为其task_struct结构体描述符,当系统无事可做时,会调度其执行, 此时该内核会变为idle进程,让出CPU,自己进入睡眠,不停的循环,查看init_task结构体,其comm字段为swapper,作为idle进程的描述符。
idle的运行时机
idle 进程优先级为MAX_PRIO-20。早先版本中,idle是参与调度的,所以将其优先级设低点,当没有其他进程可以运行时,才会调度执行 idle。而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度,而是在运行队列结构中含idle指针,指向idle进程,在调度器发现运行队列为空的时候运行,调入运行
简言之, 内核中init_task变量就是是进程0使用的进程描述符,也是Linux系统中第一个进程描述符,init_task并不是系统通过kernel_thread的方式(当然更不可能是fork)创建的, 而是由内核黑客静态创建的.
该进程的描述符在init/init_task中定义,代码片段如下
/* Initial task structure */
struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task);
EXPORT_SYMBOL(init_task);
init_task描述符使用宏INIT_TASK对init_task的进程描述符进行初始化,宏INIT_TASK在include/linux/init_task.h文件中
init_task是Linux内核中的第一个线程,它贯穿于整个Linux系统的初始化过程中,该进程也是Linux系统中唯一一个没有用kernel_thread()函数创建的内核态进程(内核线程)
在init_task进程执行后期,它会调用kernel_thread()函数创建第一个核心进程kernel_init,同时init_task进程继续对Linux系统初始化。在完成初始化后,init_task会退化为cpu_idle进程,当Core 0的就绪队列中没有其它进程时,该进程将会获得CPU运行。新创建的1号进程kernel_init将会逐个启动次CPU,并最终创建用户进程!
备注:core0上的idle进程由init_task进程退化而来,而AP的idle进程则是BSP在后面调用fork()函数逐个创建的
进程堆栈init_thread_union
init_task进程使用init_thread_union数据结构描述的内存区域作为该进程的堆栈空间,并且和自身的thread_info参数公用这一内存空间空间
.stack = &init_thread_info,
而init_thread_info则是一段体系结构相关的定义,被定义在[/arch/对应体系/include/asm/thread_info.h]中,但是他们大多数为如下定义
#define init_thread_info (init_thread_union.thread_info)
#define init_stack (init_thread_union.stack)
其中init_thread_union被定义在init/init_task.c, 紧跟着前面init_task的定义
/*
* Initial thread structure. Alignment of this is handled by a special
* linker map entry.
*/