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hibernate或者suspend的時候，將用戶進程和部分內核線程置於“可控”的暫停狀態。

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度的點暫停，而且直到cpu_down才會暫停並遷移。這會給系統帶來很多問題：

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

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

(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休眠。系統休眠的理想狀態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 代碼實現框架

凍結的對象是內核中可以被調度執行的實體，包括用戶進程、內核線程和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；內核線程和work_queue默認是不能被凍結的，少數內核線程和work_queue在創建時指定了freezable標志，這些任務需要對freeze狀態進行判斷，當系統進入freezing時，主動暫停運行。

kernel threads可以通過調用kthread_freezable_should_stop來判斷freezing狀態，並主動調用__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延后執行。

 

標記系統freeze狀態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，表示系統未進入凍結；system_freezing_cnt>0表示系統進入凍結，pm_freezing=true表示凍結用戶進程，pm_nosig_freezing=true表示凍結內核線程和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時會進入信號處理流程，檢查系統的freeze狀態，並做相應處理。

任務主動調用try_to_freeze的代碼如下：

1. static inline bool try_to_freeze_unsafe(void)
2. {
3. if (likely(!freezing(current))) //檢查系統是否處於freezing狀態
4. return false;
5. return __refrigerator(false); //主動進入凍結
6. }
7.  
8. static inline bool freezing(struct task_struct *p)
9. {
10. if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt))) //系統總體進入freezing
11. return false;
12. return freezing_slow_path(p);
13. }
14.  
15. bool freezing_slow_path(struct task_struct *p)
16. {
17. if (p->flags & PF_NOFREEZE) //當前進程是否允許凍結
18. return false;
19.  
20. if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p)) //系統凍結kernel threads
21. return true;
22.  
23. if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD)) //系統凍結用戶進程
24. return true;
25.  
26. return false;
27. }

1.  

進入凍結狀態直到恢復的主要函數:

bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)

1. {
2. ...
3. for (;;) {
4. set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); //設置進程為UNINTERRUPTIBLE狀態
5.  
6. spin_lock_irq(&freezer_lock);
7. current->flags |= PF_FROZEN; //設置已凍結狀態
8. if (!freezing(current) ||
9. (check_kthr_stop && kthread_should_stop())) //判斷系統是否還處於凍結
10. current->flags &= ~PF_FROZEN; //如果系統已解凍，則取消凍結狀態
11. spin_unlock_irq(&freezer_lock);
12.  
13. if (!(current->flags & PF_FROZEN)) //如果已取消凍結，跳出循環，恢復執行
14. break;
15. was_frozen = true;
16. schedule();
17. }
18. ......
19. }

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