Linux的進程ID號怎么實現

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??本文中的代碼摘自 Linux內核5.15.13版本。

??Linux進程總是會分配一個號碼用于在其命名空間中唯一地標識它們。該號碼被稱作進程ID號，簡稱PID。用fork或clone產生的每個進程都由內核自動地分配了一個新的唯一的PID值。

一、進程ID

1.1、其他ID

??每個進程除了PID這個特征值之外，還有其他的ID。有下列幾種可能的類型

??1、 處于某個線程組（在一個進程中，以標志CLONE_THREAD來調用clone建立的該進程的不同的執行上下文，我們在后文會看到）中的所有進程都有統一的線程組ID（ TGID）。如果進程沒有使用線程，則其PID和TGID相同。線程組中的主進程被稱作組長（ group leader）。通過clone創建的所有線程的task_struct的group_leader成員，會指向組長的task_struct實例。

??2、另外，獨立進程可以合并成進程組（使用setpgrp系統調用）。進程組成員的task_struct的pgrp屬性值都是相同的，即進程組組長的PID。進程組簡化了向組的所有成員發送信號的操作，這對于各種系統程序設計應用（參見系統程序設計方面的文獻，例如［ SR05］）是有用的。請注意，用管道連接的進程包含在同一個進程組中。

??3、 幾個進程組可以合并成一個會話。會話中的所有進程都有同樣的會話ID，保存在task_struct的session成員中。 SID可以使用setsid系統調用設置。它可以用于終端程序設計。

1.2、全局ID和局部ID

??名空間增加了PID管理的復雜性。 PID命名空間按層次組織。在建立一個新的命名空間時，該命名空間中的所有PID對父命名空間都是可見的，但子命名空間無法看到父命名空間的PID。但這意味著某些進程具有多個PID，凡可以看到該進程的命名空間，都會為其分配一個PID。 這必須反映在數據結構中。我們必須區分局部ID和全局ID。

??1、 全局ID是在內核本身和初始命名空間中的唯一ID號，在系統啟動期間開始的init進程即屬于初始命名空間。對每個ID類型，都有一個給定的全局ID，保證在整個系統中是唯一的。

??2、 局部ID屬于某個特定的命名空間，不具備全局有效性。對每個ID類型，它們在所屬的命名空間內部有效，但類型相同、值也相同的ID可能出現在不同的命名空間中。

1.3、ID實現

??全局PID和TGID直接保存在task_struct中，分別是task_struct的pid和tgid成員，在sched.h文件里：

struct task_struct {...pid_t pid;pid_t tgid;...}

??這兩項都是pid_t類型，該類型定義為__kernel_pid_t，后者由各個體系結構分別定義。通常定義為int，即可以同時使用232個不同的ID。

二、管理PID

??一個小型的子系統稱之為PID分配器（ pid allocator）用于加速新ID的分配。此外，內核需要提供輔助函數，以實現通過ID及其類型查找進程的task_struct的功能，以及將ID的內核表示形式和用戶空間可見的數值進行轉換的功能。

2.1、PID命名空間的表示方式

??在pid_namespace.h文件內有如下定義：

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;

??每個PID命名空間都具有一個進程，其發揮的作用相當于全局的init進程。 init的一個目的是對孤兒進程調用wait4，命名空間局部的init變體也必須完成該工作。 child_reaper保存了指向該進程的task_struct的指針。

??parent是指向父命名空間的指針， level表示當前命名空間在命名空間層次結構中的深度。初始命名空間的level為0，該命名空間的子空間level為1，下一層的子空間level為2，依次遞推。level的計算比較重要，因為level較高的命名空間中的ID，對level較低的命名空間來說是可見的。從給定的level設置，內核即可推斷進程會關聯到多少個ID。

2.2、PID的管理

2.2.1、PID的數據結構

??PID的管理圍繞兩個數據結構展開： struct pid是內核對PID的內部表示，而struct upid則表示特定的命名空間中可見的信息。兩個結構的定義在文件pid.h內，分別如下：

/*
 * 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];};

??對于struct upid， nr表示ID的數值， ns是指向該ID所屬的命名空間的指針。所有的upid實例都保存在一個散列表中。 pid_chain用內核的標準方法實現了散列溢出鏈表。struct pid的定義首先是一個引用計數器count。 tasks是一個數組，每個數組項都是一個散列表頭，對應于一個ID類型。這樣做是必要的，因為一個ID可能用于幾個進程。所有共享同一給定ID的task_struct實例，都通過該列表連接起來。 PIDTYPE_MAX表示ID類型的數目：

enum pid_type{
	PIDTYPE_PID,
	PIDTYPE_TGID,
	PIDTYPE_PGID,
	PIDTYPE_SID,
	PIDTYPE_MAX,};

2.2.2、PID與進程的聯系

??一個進程可能在多個命名空間中可見，而其在各個命名空間中的局部ID各不相同。 level表示可以看到該進程的命名空間的數目（換言之，即包含該進程的命名空間在命名空間層次結構中的深度），而numbers是一個upid實例的數組，每個數組項都對應于一個命名空間。注意該數組形式上只有一個數組項，如果一個進程只包含在全局命名空間中，那么確實如此。由于該數組位于結構的末尾，因此只要分配更多的內存空間，即可向數組添加附加的項。

??由于所有共享同一ID的task_struct實例都按進程存儲在一個散列表中，因此需要在struct task_struct中增加一個散列表元素在sched.h文件內進程的結構頭定義內有

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;...};

??將task_struct連接到表頭在pid_links中的散列表上。

2.2.3、查找PID

??假如已經分配了struct pid的一個新實例，并設置用于給定的ID類型。它會如下附加到task_struct，在kernel/pid.c文件內：

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]);}

??這里建立了雙向連接： task_struct可以通過task_struct->pids[type]->pid訪問pid實例。而從pid實例開始，可以遍歷tasks[type]散列表找到task_struct。 hlist_add_head_rcu是遍歷散列表的標準函數。

三、生成唯一的PID

??除了管理PID之外，內核還負責提供機制來生成唯一的PID。為跟蹤已經分配和仍然可用的PID，內核使用一個大的位圖，其中每個PID由一個比特標識。 PID的值可通過對應比特在位圖中的位置計算而來。因此，分配一個空閑的PID，本質上就等同于尋找位圖中第一個值為0的比特，接下來將該比特設置為1。反之，釋放一個PID可通過將對應的比特從1切換為0來實現。在建立一個新進程時，進程可能在多個命名空間中是可見的。對每個這樣的命名空間，都需要生成一個局部PID。這是在alloc_pid中處理的，在文件kernel/pid.c內有：

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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