Linux进程冻结技术

1 什么是进程冻结

进程冻结技术（freezing of tasks）是指在系统hibernate或者suspend的时候，将用户进程和部分内核线程置于“可控”的暂停状态。

2 为什么需要冻结技术

假设没有冻结技术，进程可以在任意可调度的点暂停，而且直到cpu_down才会暂停并迁移。这会给系统带来很多问题：

(1)有可能破坏文件系统。在系统创建hibernate image到cpu down之间，如果有进程还在修改文件系统的内容，这将会导致系统恢复之后无法完全恢复文件系统；

(2)有可能导致创建hibernation image失败。创建hibernation image需要足够的内存空间，但是在这期间如果还有进程在申请内存，就可能导致创建失败；

(3)有可能干扰设备的suspend和resume。在cpu down之前，device suspend期间，如果进程还在访问设备，尤其是访问竞争资源，就有可能引起设备suspend异常；

(4)有可能导致进程感知系统休眠。系统休眠的理想状态是所有任务对休眠过程无感知，睡醒之后全部自动恢复工作，但是有些进程，比如某个进程需要所有cpu online才能正常工作，如果进程不冻结，那么在休眠过程中将会工作异常。

3 代码实现框架

冻结的对象是内核中可以被调度执行的实体，包括用户进程、内核线程和work_queue。用户进程默认是可以被冻结的，借用信号处理机制实现；内核线程和work_queue默认是不能被冻结的，少数内核线程和work_queue在创建时指定了freezable标志，这些任务需要对freeze状态进行判断，当系统进入freezing时，主动暂停运行。

kernel threads可以通过调用kthread_freezable_should_stop来判断freezing状态，并主动调用__refrigerator进入冻结；work_queue通过判断max_active属性，如果max_active=0，则不能入队新的work，所有work延后执行。

标记系统freeze状态的有三个重要的全局变量：pm_freezing、system_freezing_cnt和pm_nosig_freezing，如果全为0，表示系统未进入冻结；system_freezing_cnt>0表示系统进入冻结，pm_freezing=true表示冻结用户进程，pm_nosig_freezing=true表示冻结内核线程和workqueue。它们会在freeze_processes和freeze_kernel_threads中置位，在thaw_processes和thaw_kernel_threads中清零。

fake_signal_wake_up函数巧妙的利用了信号处理机制，只设置任务的TIF_SIGPENDING位，但不传递任何信号，然后唤醒任务；这样任务在返回用户态时会进入信号处理流程，检查系统的freeze状态，并做相应处理。

任务主动调用try_to_freeze的代码如下：

1. static inline bool try_to_freeze_unsafe(void)
2. {
3. if (likely(!freezing(current))) //检查系统是否处于freezing状态
4. return false;
5. return __refrigerator(false); //主动进入冻结
6. }
7.  
8. static inline bool freezing(struct task_struct *p)
9. {
10. if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt))) //系统总体进入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) //当前进程是否允许冻结
18. return false;
19.  
20. if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p)) //系统冻结kernel threads
21. return true;
22.  
23. if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD)) //系统冻结用户进程
24. return true;
25.  
26. return false;
27. }

进入冻结状态直到恢复的主要函数:

bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)

1. {
2. ...
3. for (;;) {
4. set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); //设置进程为UNINTERRUPTIBLE状态
5.  
6. spin_lock_irq(&freezer_lock);
7. current->flags |= PF_FROZEN; //设置已冻结状态
8. if (!freezing(current) ||
9. (check_kthr_stop && kthread_should_stop())) //判断系统是否还处于冻结
10. current->flags &= ~PF_FROZEN; //如果系统已解冻，则取消冻结状态
11. spin_unlock_irq(&freezer_lock);
12.  
13. if (!(current->flags & PF_FROZEN)) //如果已取消冻结，跳出循环，恢复执行
14. break;
15. was_frozen = true;
16. schedule();
17. }
18. ......
19. }

4 参考文献

(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