进程表示之进程ID号

UNIX进程总是会分配一个号码用于在其命名空间总唯一地标识它们，该号码称作进程ID号，简称PID。

1、进程ID

 但每个进程除了PID外，还有其他的ID，有下列几种可能的类型：

（1）处于某个线程组中的所有进程都有统一的线程组ID（TGID）。若进程没有使用线程，则其PID和TGID相同。线程组中主进程被称作组长（group leader）。通过clone创建的所有线程的task_struct的group_leader成员，会指向组长task_struct实例。

（2）独立进程可以合并为进程组（使用setpgrp系统调用）。进程组简化了向组的所有成员发送信号的操作，有助于各种系统程序设计应用，用管道连接的进程包含在同一个进程组。

（3）几个进程组可以合并为一个会话。会话中所有进程都有同样的会话ID，保存在task_struct的session中。SID可通过setsid系统调用设置。用于终端程序设计。

2、全局ID和局部ID

PID Namespace使得父命名空间可以看见所有子命名空间PID，但子命名空间无法看到父命名空间的PID，这意味着某些进程具有多个PID，凡可以看到该进程的命名空间，都会为其分配一个PID，由此需要区分全局ID和局部ID：

（1）全局ID：在内核本身和初始命名空间的唯一ID号，在系统启动期间开始的init进程即属于初始命名空间。对每个ID类型，都有一个给定的全局ID，保证在整个系统中是唯一的。

（2）局部ID：属于某个特定命名空间，不具备全局有效性。

3、数据结构

 首先给出一个总图，其中红线是结构描述，黑线是指向。其中进程Ａ，Ｂ，Ｃ是一个进程组的，Ａ是组长进程，所以B和C的task_struct结构体中的pid_link成员的node字段就被邻接到进程A对应的struct pid中的tasks[1]。

 

以下用ID指代提到的任何进程ID。

struct task_struct {
    ...
    pid_t pid;  //全局PID
    pid_t tgid;  //线程组ID
    struct task_struct *group_leader;  //指向线程组组长task_struct实例
    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];  //PID和PID散列表的联系，将所有共享同一ID的task_struct实例都按进程存储在一个散列表中
    ...
};

 其中PIDTYPE_MAX表示ID类型的数目，枚举类型中定义的ID类型不包括线程组ID，因为线程组ID即为线程组组长的PID：

enum pid_type
{
    PIDTYPE_PID,
    PIDTYPE_PGID,
    PIDTYPE_SID,
    PIDTYPE_MAX
};

task_struct中的辅助结构pid_link可以将task_struct连接到表头在struct pid中的散列表上：

struct pid_link
{
    struct hlist_node node;  //散列表元素
    struct pid *pid;  //指向进程所属pid结构实例
};

为了在给定命名空间中查找对应于指定PID数值的pid结构实例，使用了一个散列表：static struct hlist_head *pid_hash; hlist_head是内核标准数据结构，用于建立双链散列表。

假如已经分配了struct pid的一个新实例，并设置用于给定的ID类型。它会通过如下附加到task_struct（kernel/pid.c）：

void attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type,
        struct pid *pid)
{
    struct pid_link *link;

    link = &task->pids[type];
    link->pid = pid;
    hlist_add_head_rcu(&link->node, &pid->tasks[type]);
}

这里建立双向链表：task_struct可以通过task_struct->pids[type]->pid访问pid实例；而从pid实例开始，可以遍历task[type]散列表找到task_struct。hlist_add_head_rcu是遍历散列表的标准函数。

PID的管理围绕两个数据结构：struct pid是内核对PID的内部表示，struct upid表示特定的命名空间中可见的信息：

struct pid
{  //内核对PID的内部表示
    atomic_t count;  //引用计数
    unsigned int level;  //这个pid所在的层级
    /* 使用该pid的进程的列表 */
    struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];  //每个数组项都是一个散列表表头，对应一个ID类型。因为一个ID可能用于几个进程，所有共享同一给定ID的task_struct实例，都通过该列表连接起来
    struct rcu_head rcu;
    struct upid numbers[1];  //这个pid对应的命名空间,一个pid不仅要包含当前的pid,还要包含父命名空间,默认大小为1,所以就处于根命名空间中，可添加附加项扩充
};

struct upid {  //包装命名空间所抽象出来的一个结构体
    /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */
    int nr;  //pid在该命名空间中的pid数值
    struct pid_namespace *ns;  //对应的命名空间
    struct hlist_node pid_chain;  //通过pidhash将一个pid对应的所有的命名空间连接起来（所有upid实例被保存在一个散列表中）
};

struct pid_namespace {
    struct kref kref;
    struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];  //一个pid命名空间应该有其独立的pidmap
    int last_pid;  //上次分配的pid
    unsigned int nr_hashed;
    struct task_struct *child_reaper;  //每个PID命名空间都需要一个作用相当于全局init进程的进程，init的一个目的是对孤儿进程调用wait4，此保存了指向该进程的task_struct的指针
    struct kmem_cache *pid_cachep;
    unsigned int level;  //所在的命名空间层次，初始为0，子空间level为1。level较高命名空间的PID对level较低的命名空间的PID是可见的，从给定level设置，可知进程会关联多少个PID
    struct pid_namespace *parent;  //指向父命名空间,构建命名空间的层次关系
        ...
};

4、函数操作

 本质上内核需要完成两个任务：

（1）给出局部数字ID和对应命名空间，查找此二元组描述的task_struct。

（2）给出task_struct、ID类型、命名空间，取得命名空间局部数组ID。

对于（1）分解为两步：

a.由局部PID和ns，确定pid实例。内核采用标准散列方式，首先，根据PID和ns指针计算在pid_hash数组中索引，然后遍历散列表直至找到所要的upid实例，而由于这些实例直接包含在struct pid中，所以通过使用container_of机制可推断出pid实例（kernel/pid.c）：

struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
{
    struct upid *pnr;

    hlist_for_each_entry_rcu(pnr,
            &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
        if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
            return container_of(pnr, struct pid,
                    numbers[ns->level]);

    return NULL;
}

b.pid_task取出pid->task[type]散列表中的第一个task_struct实例（kernel/pid.c）：

struct task_struct *find_task_by_pid_ns(pid_t nr, struct pid_namespace *ns)
{
    rcu_lockdep_assert(rcu_read_lock_held(),
               "find_task_by_pid_ns() needs rcu_read_lock()"
               " protection");
    return pid_task(find_pid_ns(nr, ns), PIDTYPE_PID);
}

对于（2）也分为两步：

a.获得与task_struct关联的pid实例：

static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
{
    return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}

还可通过task_tgid、task_pgrp和task_session分别用于取得不同类型的ID：

static inline struct pid *task_tgid(struct task_struct *task)
{
    return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PID].pid;
}

static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)
{
    return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PGID].pid;
}

b.从struct pid的numbers数组中upid信息，即可获得数字ID：

pid_t pid_nr_ns(struct pid *pid, struct pid_namespace *ns)
{
    struct upid *upid;
    pid_t nr = 0;

    if (pid && ns->level <= pid->level) {  //由于父ns可以看到子ns的PID，反过来不行，内核必须确保当前ns的level小于或等于产生局部ID的ns的level
        upid = &pid->numbers[ns->level];
        if (upid->ns == ns)
            nr = upid->nr;
    }
    return nr;
}

以下函数用于返回该ID所属的ns所看到的局部PID：

pid_t pid_vnr(struct pid *pid)
{
    return pid_nr_ns(pid, task_active_pid_ns(current));
}

5、生成唯一PID

在建立一个新进程时，进程可能在多个ns中可见，对每个这样的ns，都需要生成一个局部ID：

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
{  //pid分配要依赖与pid namespace,也就是说这个pid是属于哪个pid namespace
    struct pid *pid;
    enum pid_type type;
    int i, nr;
    struct pid_namespace *tmp;
    struct upid *upid;

    pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);  //分配一个pid结构
    if (!pid)
        goto out;

    tmp = ns;
    pid->level = ns->level;  //初始化level
    for (i = ns->level; i >= 0; i--) {   //递归到上面的层级进行pid的分配和初始化
        nr = alloc_pidmap(tmp);  //从当前pid namespace开始直到全局pid namespace,每一个层级都分配一个pid
        if (nr < 0)
            goto out_free;

        pid->numbers[i].nr = nr;  //初始化upid结构
        pid->numbers[i].ns = tmp;
        tmp = tmp->parent;  //递归到父亲pid namespace
    }

    if (unlikely(is_child_reaper(pid))) {  //如果是init进程需要做一些设定,为其准备proc目录
        if (pid_ns_prepare_proc(ns))
            goto out_free;
    }

    get_pid_ns(ns);
    atomic_set(&pid->count, 1);
    for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)  //初始化pid中的hlist结构
        INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);

    upid = pid->numbers + ns->level;  //定位到当前namespace的upid结构
    spin_lock_irq(&pidmap_lock);
    if (!(ns->nr_hashed & PIDNS_HASH_ADDING))
        goto out_unlock;
    for ( ; upid >= pid->numbers; --upid) {
        hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
                &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);  //建立pid_hash,让pid和pid namespace关联起来
        upid->ns->nr_hashed++;
    }
    spin_unlock_irq(&pidmap_lock);

out:
    return pid;

out_unlock:
    spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
out_free:
    while (++i <= ns->level)
        free_pidmap(pid->numbers + i);

    kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
    pid = NULL;
    goto out;
}

参考：

linux-3.10.1内核源码

《深入Linux内核架构》

https://blog.csdn.net/zhangyifei216/article/details/49926459

很清晰的一个讲解