内核线程学习【附源码】

1.内核线程介绍:

内核经常需要在后台执行一些操作,这种任务就可以通过内核线程(kernle thread)完成——独立运行在内核空间的标准进程。内核线程和普通的进程间的区别在于内核线程没有独立的地址空间,mm指针被设置为NULL;它只在内核空间运行,从来不切换到用户空间去;并且和普通进程一样,可以被调度,也可以被抢占。
内核线程只能由其它的内核线程创建,Linux内核通过给出的函数接口与系统中的初始内核线程kthrreadd交互,由kthreadd衍生出其它的内核线程。

2.相关接口函数:

1.kthread_create:函数返回一个task_struct指针,指向代表新建内核线程的task_struct结构体。注意:使用该函数创建的内核线程处于不可运行状态,需要将kthread_create返回的task_struct传递给wake_up_process函数,通过此函数唤醒新建的内核线程。
2.kthread_run:该函数新建并运行新创建的线程。该函数定义如下:

[c]

#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, …)
({
struct task_struct *__k
= kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__);
if (!IS_ERR(__k))
wake_up_process(__k);
__k;
})

[/c]

3.kthread_stop:线程一旦启动起来后,会一直运行,除非该线程主动调用do_exit函数,或者其他的进程调用kthread_stop函数,结束线程的运行。
4.kthread_should_stop:该函数位于内核线程函数体内,用于接收kthread_stop传递的结束线程信号,如果内核线程中未用此函数,则kthread_stop使其结束

3.实现举例

3.1头文件:

[c]

#include //wake_up_process()
#include //kthread_create()、kthread_run()
#include //IS_ERR()、PTR_ERR()

[/c]

3.2实现

 

 

1.创建线程

在内核模块初始化时,可以进行线程的创建。使用kthread_create+wake_up_process或者kthread_run函数。如:

[c]

static struct task_struct *test_task;
static int test_init_module(void)
{
int err;
test_task = kthread_create(test_thread, NULL, "test_task");
if(IS_ERR(test_task)){
printk("Unable to start kernel thread.n");
err = PTR_ERR(test_task);
test_task = NULL;
return err;
}
wake_up_process(test_task);
return 0;
}
module_init(test_init_module);

[/c]

2.线程函数

在线程函数里,完成所需的业务逻辑工作。主要框架如下所示:

 

[c]
int threadfunc(void *data){

while(1){
set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
if(kthread_should_stop()) break;
if(){//条件为真
//进行业务处理
}
else{//条件为假
//让出CPU运行其他线程,并在指定的时间内重新被调度
schedule_timeout(HZ);
}
}

return 0;
}
[/c]

3.结束线程

在模块卸载时,可以使用kthread_stop结束线程的运行。
函数原型:int kthread_stop(struct task_struct *k);

 

[c]
static void test_cleanup_module(void)
{
if(test_task){
kthread_stop(test_task);
test_task = NULL;
}
}
module_exit(test_cleanup_module);

[/c]

3.3注意事项

 

(1)在调用kthread_stop函数时,线程函数不能已经运行结束。否则,kthread_stop函数会一直进行等待。
(2)线程函数必须能让出CPU,以便能运行其他线程。同时线程函数也必须能重新被调度运行。在例子程序中,这是通过schedule_timeout()函数完成的,也可自己调用schedule函数等方式。

4.代码示例

以下代码,摘抄自网络:

[c]

#include <linux/kthread.h>
#include <linux/module.h>
#ifndef SLEEP_MILLI_SEC
#define SLEEP_MILLI_SEC(nMilliSec)
do {
long timeout = (nMilliSec) * HZ / 1000;
while(timeout > 0)
{
timeout = schedule_timeout(timeout);
}
}while(0);
#endif
static struct task_struct * MyThread = NULL;
static int MyPrintk(void *data)
{
char *mydata = kmalloc(strlen(data)+1,GFP_KERNEL);
memset(mydata,’\0’,strlen(data)+1);
strncpy(mydata,data,strlen(data));
while(!kthread_should_stop())
{
SLEEP_MILLI_SEC(1000);
printk("%sn",mydata);
}
kfree(mydata);
return 0;
}
static int __init init_kthread(void)
{
MyThread = kthread_run(MyPrintk,"hello world","mythread");
return 0;
}
static void __exit exit_kthread(void)
{
if(MyThread)
{
printk("stop MyThreadn");
kthread_stop(MyThread);
}
}
module_init(init_kthread);
module_exit(exit_kthread);

[/c]

5.内核线程创建原理详解

kernel_thread为真实的用于创建内核线程的函数,其最终会调用do_fork函数进行内核线程的创建,内核提供的内核线程创建函数如kthread_create等,最终都会间接调用到kernel_thread函数进行内核线程的创建。

[c]
/*函数定义于:(linux)/include/linux/sched.h
*函数实现于:(linux)/kernel/fork.c
*/
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);
}

[/c]

内核线程之父kthreadd的创建

 

在内核启动的后续阶段,start_kernel最后会调用rest_init函数进行init函数以及kthreadd内核线程的初始化,函数源码如下所示。kernel_init内核线程负责创建init进程,创建成功后 ,该内核线程运行结束;接下来创建kthreadd内核线程,该内核线程将常驻,并根据需求与相关函数调用衍生出新的内核线程,kthreadd将作为其它内核线程的模板。

[c]
//(linux)//init/main.c
static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
……
kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
……
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
rcu_read_lock();
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns); //全局变量kthreadd_task为指向kthreadd的task结构体
rcu_read_unlock();
……
}[/c]

kthreadd工作原理如下:
kthreadd内核线程的主体是内核中的kthreadd这个函数,其源码如下所示。其中for循环负责根据kthread_create_list中的信息,创建新的内核线程。

[c]

int kthreadd(void *unused)
{
struct task_struct *tsk = current;

/* Setup a clean context for our children to inherit. */
set_task_comm(tsk, "kthreadd");
ignore_signals(tsk);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);
set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);

current->flags |= PF_NOFREEZE;

for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
if (list_empty(&kthread_create_list))
schedule(); //如果链表上没有新的内核线程创建请求,则调度其它进程
//当调用kthread_create函数时,其会通过wak_up_process唤醒此线程,并从此处开始运行
__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); //函数中,会调用kernel_threadh函数,创建由create所指定信息的内核线程

spin_lock(&kthread_create_lock);
}
spin_unlock(&kthread_create_lock);
}

return 0;
}[/c]

kthread_create是一个宏,对应的函数为kthread_create_on_node:

[c]
//(linux)/include/linux/kthread.h
#define kthread_create(threadfn, data, namefmt, arg…)
kthread_create_on_node(threadfn, data, -1, namefmt, ##arg)

kthread_create_on_node定义如下,其原理为:

[/c]

1)向kthread_create_list添加新的内核线程创建需求;
2)通过wake_up_process唤醒kthreadd内核线程,接下来kthreadd内核线程会取kthread_create_list新的请求,然后调用create_kthread进行内核线程创建,create_thread最终会调用kernel_create函数

[c]
struct task_struct *kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),
void *data, int node,
const char namefmt[],
…)
{
……
spin_lock(&kthread_create_lock);
list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list); 将内核线程创建的请求添加到kthread_create_list上
spin_unlock(&kthread_create_lock);

wake_up_process(kthreadd_task); //唤醒kthreadd,使其创建新的内核线程
wait_for_completion(&create.done);
……
}
EXPORT_SYMBOL(kthread_create_on_node);[/c]

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