内核线程的创建和运行

作者丨布道师Peter

来源丨人人都是极客（ID：rrgeek）

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：

/* 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：

/* 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)

1. init_thread_union 是0号进程的内核栈的基地址
2. 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
3. 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

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：

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

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;
}

1. 通过设置 task_struct 的 comm 字段，使当前进程的名字为"kthreadd"
2. 设置当前的进程的状态是 TASK_INTERRUPTIBLE
3. 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
4. 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。

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。

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)
}

1. 取出传递过来的线程创建信息
2. 取出线程执行函数
3. 取出传递给线程执行函数的参数
4. 分配 kthread 结构
5. 获得 done 完成量
6. 赋值 self->threadfn 为线程执行函数
7. 赋值 self->data 为线程执行函数的参数
8. 设置内核线程状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE，但此时还没有睡眠
9. 用于返回当前任务的 tsk
10. 唤醒等待 done 完成量的任务
11. 睡眠
12. 唤醒的时候从此开始执行
13. 判断 self->flags 是否为 KTHREAD_SHOULD_STOP （kthread_stop 会设置）
14. 执行真正的线程执行函数
15. 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：

int my_kernel_thread(void *arg)  
{  
 printk("%s: %d\n", __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

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, &param); ------(9)
                set_cpus_allowed_ptr(task,                              ------(10)
                                     housekeeping_cpumask(HK_FLAG_KTHREAD));
        }
        kfree(create);
        return task;
}

1. 静态定义并初始化一个完成量
2. 分配 kthread_create_info 结构
3. 填充 kthread_create_info 结构
4. 将 kthread_create_info 结构添加到 kthread_create_list 链表
5. 唤醒 kthreadd 来处理创建内核线程请求
6. 等待 kthreadd 创建完成这个内核线程
7. 获得创建完成的内核线程的 tsk
8. 设置内核线程的名字
9. 设置调度策略和优先级
10. 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：

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