上面讲完了用户进程/线程的创建，这里我们看下内核是如何创建线程的。
通过 ps 命令可以看到红色方框标出的都是父进程为2号进程的内核线程，2号进程即蓝色方框标出的进程 kthreadd，1号进程是绿色方框标出的进程 init，它们的父进程号都是0。
下面我们一起看下，内核的0号，1号，2号线程的创建过程。
0号线程
linux 内核中为0号进程专门定义了一个静态的 task_struct 的结构，称为 init_task：
代码语言：javascript复制/* include/linux/init_task.h */
#define INIT_TASK_COMM "swapper"
/* init/init_task.c */
struct task_struct init_task
#ifdef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
__init_task_data
#endif
__aligned(L1_CACHE_BYTES)
= {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
.thread_info = INIT_THREAD_INFO(init_task),
.stack_refcount = REFCOUNT_INIT(1),
#endif
.state = 0,
.stack = init_stack,
.usage = REFCOUNT_INIT(2),
.flags = PF_KTHREAD,
.prio = MAX_PRIO - 20,
.static_prio = MAX_PRIO - 20,
.normal_prio = MAX_PRIO - 20,
.policy = SCHED_NORMAL,
.cpus_ptr = &init_task.cpus_mask,
.cpus_mask = CPU_MASK_ALL,
.nr_cpus_allowed= NR_CPUS,
.mm = NULL,
.active_mm = &init_mm,
......
.comm = INIT_TASK_COMM,
.thread = INIT_THREAD,
.fs = &init_fs,
.files = &init_files,
......
};
EXPORT_SYMBOL(init_task);
这个结构体中的成员都是静态定义的，这里看几个比较重要的变量：
- .thread_info = INIT_THREAD_INFO(init_task), 这个结构在 “task_struct, thread_info 和内核栈 sp 的关系” 中有详细的描述
- .stack = init_stack, init_stack 是内核栈的静态定义，定义在链接脚本里
/* include/asm-generic/vmlinux.lds.h */
#define INIT_TASK_DATA(align)
. = ALIGN(align);
__start_init_task = .;
init_thread_union = .;
init_stack = .;
KEEP(*(.data..init_task))
KEEP(*(.data..init_thread_info))
. = __start_init_task THREAD_SIZE;
__end_init_task = .;
可以看出，__start_init_task 是0号进程的内核栈的基地址，__end_init_task 是0号进程的内核栈的结束地址。注意：__start_init_task = init_thread_union = init_task
- .comm = INIT_TASK_COMM, 0号进程的名称是 swapper
下面结合 Linux 内核启动的部分代码，看下是如何调用 __primary_switched 来设置0号进程的运行内核栈：
代码语言：javascript复制/* arch/arm64/kernel/head.S */
SYM_FUNC_START_LOCAL(__primary_switched)
adrp x4, init_thread_union ------(1)
add sp, x4, #THREAD_SIZE ------(2)
adr_l x5, init_task
msr sp_el0, x5 // Save thread_info
......
b start_kernel
SYM_FUNC_END(__primary_switched) ------(3)
- init_thread_union 是0号进程的内核栈的基地址
- 设置堆栈指针 sp 的值，就是内核栈的栈底 THREAD_SIZE的大小。现在 sp 指到了内核栈的顶端
- 跳转到 linux 内核的入口
至此0号进程就已经运行起来了，0号进程，通常也被称为 idle 进程，也称为 swapper 进程。当系统中所有的进程起来后，0号进程也就蜕化为 idle 进程，当一个 CPU 上没有任务可运行时就会去运行 idle 进程。一旦运行 idle 进程，则此 CPU 就可以进入低功耗模式了，在ARM上就是WFI。
1号线程
代码语言：javascript复制asmlinkage __visible void __init __no_sanitize_address start_kernel(void)
{
......
arch_call_rest_init();
......
}
void __init __weak arch_call_rest_init(void)
{
rest_init();
}
noinline void __ref rest_init(void)
{
struct task_struct *tsk;
int pid;
rcu_scheduler_starting();
pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
rcu_read_lock();
tsk = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpumask_of(smp_processor_id()));
rcu_read_unlock();
numa_default_policy();
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
rcu_read_lock();
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
rcu_read_unlock();
system_state = SYSTEM_SCHEDULING;
complete(&kthreadd_done);
schedule_preempt_disabled();
/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}
这里会创建1号，2号两个线程：
- pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
- pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
return _do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, (unsigned long)fn,
(unsigned long)arg, NULL, NULL, 0);
}
可以看出，kernel_thread 最终会调用 do_fork 根据参数的不同来创建一个进程或者内核线程。do_fork 的实现我们在后面会做详细的介绍。当内核线程创建成功后就会调用设置的回调函数。
当 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 返回时，1号进程已经创建成功了。而且会回调 kernel_init 函数，接下来看下 kernel_init 主要做什么事情：
代码语言：javascript复制static int __ref kernel_init(void *unused)
{
int ret;
kernel_init_freeable();
......
if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
!try_to_run_init_process("/etc/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
return 0;
panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
"See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");
}
最主要的工作就是通过 execve，执行init可执行文件。init 就是1号线程，它最终会去创建所有的应用进程。确切来讲，init 进程是用户态的，kernel_init 是1号进程的内核态。
2号线程
上面讲到的 kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES) 就是用来创建2号线程，2号线程的执行函数是 kthreadd：
kthreadd 处理流程
代码语言：javascript复制int kthreadd(void *unused)
{
struct task_struct *tsk = current;
/* Setup a clean context for our children to inherit. */
set_task_comm(tsk, "kthreadd"); ------(1)
ignore_signals(tsk);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, housekeeping_cpumask(HK_FLAG_KTHREAD));
set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);
current->flags |= PF_NOFREEZE;
cgroup_init_kthreadd();
for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); ------(2)
if (list_empty(&kthread_create_list))
schedule(); ------(3)
__set_current_state(TASK_RUNNING);
spin_lock(&kthread_create_lock);
while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
struct kthread_create_info *create;
create = list_entry(kthread_create_list.next,
struct kthread_create_info, list);
list_del_init(&create->list);
spin_unlock(&kthread_create_lock);
create_kthread(create); ------(4)
spin_lock(&kthread_create_lock);
}
spin_unlock(&kthread_create_lock);
}
return 0;
}
- 通过设置 task_struct 的 comm 字段，使当前进程的名字为"kthreadd"
- 设置当前的进程的状态是 TASK_INTERRUPTIBLE
- 如果链表 kthread_create_list 是空，说明没有创建内核线程的请求，则直接调用 schedule 进行睡眠
- 如果不是空，while循环，从链表中取出一个，然后调用 create_kthread 去创建一个内核线程
所以2号线程 kthreadd 通过 create_kthread 去创建内核其它的线程，可谓是内核线程的祖先。
至此，我们已经知道 Linux 启动的第一个线程，0号线程是静态创建的。在0号线程启动后会接连创建两个线程，分别是1号线程和2和线程。1号进程最终会去调用可init可执行文件，init进程最终会去创建所有的应用进程。2号进程会在内核中负责创建所有的内核线程。所以说0号进程是1号和2号进程的父进程，1号进程是所有用户态进程的父进程，2号进程是所有内核线程的父进程。
kthread 处理流程
上面 kthreadd 线程会循环查看链表 kthread_create_list，如果有线程的创建申请，则从链表中取出一个，然后调用 create_kthread 去创建一个内核线程。
代码语言：javascript复制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);
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);
}
}
可以看出，由 kthreadd 内核线程创建的内核线程的执行函数是 kthread。
代码语言：javascript复制static int kthread(void *_create)
{
/* Copy data: it's on kthread's stack */
struct kthread_create_info *create = _create; ------(1)
int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn; ------(2)
void *data = create->data; ------(3)
struct completion *done;
struct kthread *self;
int ret;
self = kzalloc(sizeof(*self), GFP_KERNEL); ------(4)
set_kthread_struct(self);
/* If user was SIGKILLed, I release the structure. */
done = xchg(&create->done, NULL); ------(5)
if (!done) {
kfree(create);
do_exit(-EINTR);
}
if (!self) {
create->result = ERR_PTR(-ENOMEM);
complete(done);
do_exit(-ENOMEM);
}
self->threadfn = threadfn; ------(6)
self->data = data; ------(7)
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); ------(8)
create->result = current; ------(9)
/*
* Thread is going to call schedule(), do not preempt it,
* or the creator may spend more time in wait_task_inactive().
*/
preempt_disable();
complete(done); ------(10)
schedule_preempt_disabled(); ------(11)
preempt_enable(); ------(12)
ret = -EINTR;
if (!test_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &self->flags)) {------(13)
cgroup_kthread_ready();
__kthread_parkme(self);
ret = threadfn(data); ------(14)
}
do_exit(ret); ------(15)
}
- 取出传递过来的线程创建信息
- 取出线程执行函数
- 取出传递给线程执行函数的参数
- 分配 kthread 结构
- 获得 done 完成量
- 赋值 self->threadfn 为线程执行函数
- 赋值 self->data 为线程执行函数的参数
- 设置内核线程状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE，但此时还没有睡眠
- 用于返回当前任务的 tsk
- 唤醒等待 done 完成量的任务
- 睡眠
- 唤醒的时候从此开始执行
- 判断 self->flags 是否为 KTHREAD_SHOULD_STOP （kthread_stop 会设置）
- 执行真正的线程执行函数
- 退出当前任务
内核线程的创建和运行
现在我们知道 kthreadd 会从链表 kthread_create_list 中取出一个，然后调用 create_kthread 去创建一个内核线程。kthreadd 是所有内核线程的父线程，但是子线程如何把请求加入 kthread_create_list 链表，如何让子线程运行，还没有深入介绍。
这里举例看一个 peter 线程的创建和运行的简单例子：
代码语言：javascript复制int my_kernel_thread(void *arg)
{
printk("%s: %dn", __func__);
return 0;
}
static int __init test_init_module(void)
{
printk("%s:n", __func__);
peter = kthread_create(my_kernel_thread, NULL, "practice task"); ------(1)
if(!IS_ERR(peter))
wake_up_process(peter); ------(2)
return 0;
}
static void __exit test_exit_module(void)
{
printk("%s:n", __func__);
kthread_stop(peter);
}
module_init(test_init_module);
module_exit(test_exit_module);
很简单，通过 kthread_create 函数创建内核线程，然后通过 wake_up_process 唤醒线程，使之运行。
下面我们结合上面的 kthreadd，剖析下内核线程创建和运行的本质。
kthread_create
kthread_create 的调用流程是：kthread_create->kthread_create_on_node->__kthread_create_on_node
代码语言：javascript复制struct task_struct *__kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),
void *data, int node,
const char namefmt[],
va_list args)
{
DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done); ------(1)
struct task_struct *task;
struct kthread_create_info *create = kmalloc(sizeof(*create),
GFP_KERNEL); ------(2)
if (!create)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
create->threadfn = threadfn; ------(3)
create->data = data;
create->node = node;
create->done = &done;
spin_lock(&kthread_create_lock);
list_add_tail(&create->list, &kthread_create_list); ------(4)
spin_unlock(&kthread_create_lock);
wake_up_process(kthreadd_task); ------(5)
/*
* Wait for completion in killable state, for I might be chosen by
* the OOM killer while kthreadd is trying to allocate memory for
* new kernel thread.
*/
if (unlikely(wait_for_completion_killable(&done))) { ------(6)
/*
* If I was SIGKILLed before kthreadd (or new kernel thread)
* calls complete(), leave the cleanup of this structure to
* that thread.
*/
if (xchg(&create->done, NULL))
return ERR_PTR(-EINTR);
/*
* kthreadd (or new kernel thread) will call complete()
* shortly.
*/
wait_for_completion(&done);
}
task = create->result; ------(7)
if (!IS_ERR(task)) {
static const struct sched_param param = { .sched_priority = 0 };
char name[TASK_COMM_LEN];
/*
* task is already visible to other tasks, so updating
* COMM must be protected.
*/
vsnprintf(name, sizeof(name), namefmt, args);
set_task_comm(task, name); ------(8)
/*
* root may have changed our (kthreadd's) priority or CPU mask.
* The kernel thread should not inherit these properties.
*/
sched_setscheduler_nocheck(task, SCHED_NORMAL, ¶m); ------(9)
set_cpus_allowed_ptr(task, ------(10)
housekeeping_cpumask(HK_FLAG_KTHREAD));
}
kfree(create);
return task;
}
- 静态定义并初始化一个完成量
- 分配 kthread_create_info 结构
- 填充 kthread_create_info 结构
- 将 kthread_create_info 结构添加到 kthread_create_list 链表
- 唤醒 kthreadd 来处理创建内核线程请求
- 等待 kthreadd 创建完成这个内核线程
- 获得创建完成的内核线程的 tsk
- 设置内核线程的名字
- 设置调度策略和优先级
- 设置 CPU 亲和性
wake_up_process
上面通过 kthread_create 分配填充 kthread_create_info 结构，然后将该结构添加到 kthread_create_list 链表，唤醒 kthreadd 去创建 peter 线程，然后调用 schedule_preempt_disabled 使 peter 线程睡眠。等待被 wake_up_process 唤醒，一旦执行 wake_up_process，则唤醒 peter 线程，去调用它的执行函数 threadfn(data)。
为了更好理解，这里用一张图来总结父线程 kthreadd 和其子线程 peter 的关系：
