一文解读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：

static inline bool try_to_freeze_unsafe（void）

{

if （likely（！freezing（current））） //检查系统是否处于freezing状态

return false;

return __refrigerator（false）; //主动进入冻结

}

static inline bool freezing（struct task_struct *p）

{

if （likely（！atomic_read（&system_freezing_cnt））） //系统总体进入freezing

return false;

return freezing_slow_path（p）;

}

bool freezing_slow_path（struct task_struct *p）

{

if （p-》flags & PF_NOFREEZE） //当前进程是否允许冻结

return false;

if （pm_nosig_freezing || cgroup_freezing（p）） //系统冻结kernel threads

return true;

if （pm_freezing && ！（p-》flags & PF_KTHREAD）） //系统冻结用户进程

return true;

return false;

}

进入冻结状态直到恢复的主要函数：bool __refrigerator（bool check_kthr_stop）

{

。..

for （;;） {

set_current_state（TASK_UNINTERRUPTIBLE）; //设置进程为UNINTERRUPTIBLE状态

spin_lock_irq（&freezer_lock）;

current-》flags |= PF_FROZEN; //设置已冻结状态

if （！freezing（current） ||

（check_kthr_stop && kthread_should_stop（））） //判断系统是否还处于冻结

current-》flags &= ~PF_FROZEN; //如果系统已解冻，则取消冻结状态

spin_unlock_irq（&freezer_lock）;

if （！（current-》flags & PF_FROZEN）） //如果已取消冻结，跳出循环，恢复执行

break;

was_frozen = true;

schedule（）;

}

。..。..

}

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
编辑：hfy