linux 进程会计,Linux进程退出详解(do_exit)--Linux进程的管理与调度(十四)

1 Linux进程的退出

1.1 linux下进程退出的方式

1.1.1 正常退出

1.1.2 异常退出

1.2 _exit, exit和_Exit的区别和联系

2 进程退出的系统调用

2.1 _exit和exit_group系统调用

2.2 系统调用声明

2.3 系统调用号

2.4 系统调用实现

3 do_group_exist流程

4 do_exit流程

4.1 触发task_exit_nb通知链实例的处理函数

4.2 检查进程的blk_plug是否为空

4.3 OOPS消息

4.4 设定进程可以使用的虚拟地址的上限(用户空间)

4.5 检查进程设置进程PF_EXITING

4.6 内存屏障

4.7 同步进程的mm的rss_stat

4.8 获取current->mm->rss_stat.count[member]计数

4.9 清除定时器

4.10 收集进程会计信息

4.11 审计

4.12 释放进程占用的资源

4.13 检查有多少未使用的进程内核栈

4.14 调度其它进程

1 Linux进程的退出

1.1 linux下进程退出的方式

1.1.1 正常退出

从main函数返回return

调用exit

调用_exit

1.1.2 异常退出

调用abort

由信号终止

1.2 _exit, exit和_Exit的区别和联系

_exit是linux系统调用，关闭所有文件描述符，然后退出进程。

exit是c语言的库函数，他最终调用_exit。在此之前，先清洗标准输出的缓存，调用atexit注册的函数等,在c语言的main函数中调用return就等价于调用exit。

_Exit是c语言的库函数，自c99后加入，等价于_exit，即可以认为它直接调用_exit。

基本来说，_Exit(或_exit，建议使用大写版本)是为fork之后的子进程准备的特殊API。功能见POSIX 标准：_Exit，讨论见 c - how to exit a child process

由fork()函数创建的子进程分支里，正常情况下使用函数exit()是不正确的，这是因为使用它会导致标准输入输出的缓冲区被清空两次，而且临时文件可能被意外删除。

因为在fork之后，exec之前，很多资源还是共享的(如某些文件描述符)，如果使用exit会关闭这些资源，导致某些非预期的副作用(如删除临时文件等)。

「刷新」是对应flush，意思是把内容从内存缓存写出到文件里，而不仅仅是清空(所以常见的对stdin调用flush的方法是耍流氓而已)。如果在fork的时候父进程内存有缓冲内容，则这个缓冲会带到子进程，并且两个进程会分别 flush (写出)一次，造成数据重复。参见c - How does fork() work with buffered streams like stdout?

2 进程退出的系统调用

2.1 _exit和exit_group系统调用

_exit系统调用

进程退出由_exit系统调用来完成,这使得内核有机会将该进程所使用的资源释放回系统中

进程终止时，一般是调用exit库函数(无论是程序员显式调用还是编译器自动地把exit库函数插入到main函数的最后一条语句之后！！！)来释放进程所拥有的资源。

_exit系统调用的入口点是sys_exit()函数,需要一个错误码作为参数,以便退出进程。

其定义是体系结构无关的, 见kernel/exit.c

而我们用户空间的多线程应用程序(用户空间线程！！！),对应内核中就有多个进程, 这些进程共享虚拟地址空间和资源,他们有各自的进程id(pid),但是他们的组进程id(tpid)是相同的, 都等于组长(领头进程)的pid

在linux内核中对线程并没有做特殊的处理，还是由task_struct来管理。所以从内核的角度看，用户态的线程本质上还是一个进程。对于同一个进程(用户态角度！！！)中不同的线程其tgid是相同的，但是pid各不相同。主线程即group_leader(主线程会创建其他所有的子线程！！！)。如果是单线程进程(用户态角度！！！)，它的pid等于tgid。

这个信息我们已经讨论过很多次了

参见

Linux进程ID号--Linux进程的管理与调度(三)

Linux进程描述符task_struct结构体详解--Linux进程的管理与调度(一)

为什么还需要exit_group

我们如果了解linux的线程实现机制的话,会知道所有的线程是属于一个线程组的,同时即使不是线程,linux也允许多个进程组成进程组,多个进程组组成一个会话,因此我们本质上了解到不管是多线程,还是进程组起本质都是多个进程组成的一个集合,那么我们的应用程序在退出的时候,自然希望一次性的退出组内所有的进程。

因此exit_group就诞生了

exit_group函数会杀死属于当前进程所在线程组的所有进程。它接受进程终止代号作为参数，进程终止代号可能是系统调用exit_group(正常结束)指定的一个值，也可能是内核提供的一个错误码(异常结束)。

因此C语言的库函数exit使用系统调用exit_group来终止整个线程组，库函数pthread_exit使用系统调用_exit来终止某一个线程

_exit和exit_group这两个系统调用在Linux内核中的入口点函数分别为sys_exit和sys_exit_group。

2.2 系统调用声明

声明见include/linux/syscalls.h, line 326

asmlinkage long sys_exit(int error_code);

asmlinkage long sys_exit_group(int error_code);

asmlinkage long sys_wait4(pid_t pid, int __user *stat_addr,

int options, struct rusage __user *ru);

asmlinkage long sys_waitid(int which, pid_t pid,

struct siginfo __user *infop,

int options, struct rusage __user *ru);

asmlinkage long sys_waitpid(pid_t pid, int __user *stat_addr, int options);

2.3 系统调用号

其系统调用号是一个体系结构相关的定义, 但是多数体系结构的定义如下, 在include/uapi/asm-generic/unistd.h, line 294文件中

/* kernel/exit.c */

#define __NR_exit 93

__SYSCALL(__NR_exit, sys_exit)

#define __NR_exit_group 94

__SYSCALL(__NR_exit_group, sys_exit_group)

#define __NR_waitid 95

__SC_COMP(__NR_waitid, sys_waitid, compat_sys_waitid)

只有少数体系结构, 重新定义了系统调用号

体系

定义

xtensa

rch/xtensa/include/uapi/asm/unistd.h, line 267

arm64

rch/arm64/include/asm/unistd32.h, line 27

通用

include/uapi/asm-generic/unistd.h, line 294

2.4 系统调用实现

然后系统调用的实现在kernel/exit.c 中

SYSCALL_DEFINE1(exit, int, error_code)

{

do_exit((error_code&0xff)<<8);

}

/*

* this kills every thread in the thread group. Note that any externally

* wait4()-ing process will get the correct exit code - even if this

* thread is not the thread group leader.

*/

SYSCALL_DEFINE1(exit_group, int, error_code)

{

do_group_exit((error_code & 0xff) << 8);

/* NOTREACHED */

return 0;

}

3 do_group_exist流程

do_group_exit()函数杀死属于current线程组的所有进程。它接受进程终止代码作为参数，进程终止代号可能是系统调用exit_group()指定的一个值，也可能是内核提供的一个错误代号。

该函数执行下述操作

检查退出进程的SIGNAL_GROUP_EXIT标志是否不为0，如果不为0，说明内核已经开始为线性组执行退出的过程。在这种情况下，就把存放在current->signal->group_exit_code的值当作退出码，然后跳转到第4步。

否则，设置进程的SIGNAL_GROUP_EXIT标志并把终止代号放到current->signal->group_exit_code字段。

调用zap_other_threads()函数杀死current线程组中的其它进程。为了完成这个步骤，函数扫描当前线程所在线程组的链表，向表中所有不同于current的进程发送SIGKILL信号，结果，所有这样的进程都将执行do_exit()函数，从而被杀死。

遍历线程所在线程组的所有线程函数while_each_thread(p, t)使用了:

static inline struct task_struct *next_thread(const struct task_struct *p)

{

return list_entry_rcu(p->thread_group.next,

struct task_struct, thread_group);

}

#define while_each_thread(g, t)

while ((t = next_thread(t)) != g)

同一个进程组的可以, 扫描与current->pids[PIDTYPE_PGID](这是进程组组长pid结构体)对应的PIDTYPE_PGID类型的散列表(因为是进程组组长,所以其真实的pid结构体中tasks[PIDTYPE_PGID]是这个散列表的表头)中的每个PID链表

调用do_exit()函数，把进程的终止代码传递给它。正如我们将在下面看到的，do_exit()杀死进程而且不再返回。

/*

* Take down every thread in the group. This is called by fatal signals

* as well as by sys_exit_group (below).

*/

void

do_group_exit(int exit_code)

{

struct signal_struct *sig = current->signal;

BUG_ON(exit_code & 0x80); /* core dumps don't get here */

/*

检查current->sig->flags的SIGNAL_GROUP_EXIT标志是否置位

或者current->sig->group_exit_task是否不为NULL

*/

if (signal_group_exit(sig))

exit_code = sig->group_exit_code; /* group_exit_code存放的是线程组终止代码 */

else if (!thread_group_empty(current)) { /* 检查线程组链表是否不为空 */

struct sighand_struct *const sighand = current->sighand;

spin_lock_irq(&sighand->siglock);

if (signal_group_exit(sig))

/* Another thread got here before we took the lock. */

exit_code = sig->group_exit_code;

else {

sig->group_exit_code = exit_code;

sig->flags = SIGNAL_GROUP_EXIT;

zap_other_threads(current); /* 遍历整个线程组链表，并杀死其中的每个线程 */

}

spin_unlock_irq(&sighand->siglock);

}

do_exit(exit_code);

/* NOTREACHED */

}

4 do_exit流程

进程终止所要完成的任务都是由do_exit函数来处理。

该函数定义在kernel/exit.c中

void __noreturn do_exit(long code)

{

......

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(do_exit);

4.1 触发task_exit_nb通知链实例的处理函数

profile_task_exit(tsk);

该函数会定义在触发kernel/profile.c

void profile_task_exit(struct task_struct *task)

{

blocking_notifier_call_chain(&task_exit_notifier, 0, task);

}

会触发task_exit_notifier通知, 从而触发对应的处理函数

其中task_exit_notifier被定义如下

// http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/profile.c?v=4.6#L134

static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(task_exit_notifier);

// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/notifier.h?v=4.6#L111

#define BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name) {

.rwsem = __RWSEM_INITIALIZER((name).rwsem),

.head = NULL }

// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/rwsem.h?v4.6#L74

#define __RWSEM_INITIALIZER(name)

{ .count = RWSEM_UNLOCKED_VALUE,

.wait_list = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),

.wait_lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.wait_lock)

__RWSEM_OPT_INIT(name)

__RWSEM_DEP_MAP_INIT(name) }

4.2 检查进程的blk_plug是否为空

保证task_struct中的plug字段是空的，或者plug字段指向的队列是空的。plug字段的意义是stack plugging

// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/blkdev.h?v=4.6#L1095

WARN_ON(blk_needs_flush_plug(tsk));

其中blk_needs_flush_plug函数定义在include/linux/blkdev.h, 如下

static inline bool blk_needs_flush_plug(struct task_struct *tsk)

{

struct blk_plug *plug = tsk->plug;

return plug &&

(!list_empty(&plug->list) ||

!list_empty(&plug->mq_list) ||

!list_empty(&plug->cb_list));

}

4.3 OOPS消息

中断上下文不能执行do_exit函数, 也不能终止PID为0的进程。

if (unlikely(in_interrupt()))

panic("Aiee, killing interrupt handler!");

if (unlikely(!tsk->pid))

panic("Attempted to kill the idle task!");

4.4 设定进程可以使用的虚拟地址的上限(用户空间)

/*

* If do_exit is called because this processes oopsed, it's possible

* that get_fs() was left as KERNEL_DS, so reset it to USER_DS before

* continuing. Amongst other possible reasons, this is to prevent

* mm_release()->clear_child_tid() from writing to a user-controlled

* kernel address.

*

* 设定进程可以使用的虚拟地址的上限(用户空间)

* http://lxr.free-electrons.com/ident?v=4.6;i=set_fs

*/

set_fs(USER_DS);

这个是一个体系结构相关的代码, 其定义如下

其定义在arch/对应体系/include/asm/uaccess.h中

体系

定义

arm

arch/arm/include/asm/uaccess.h, line 99

arm64

arch/arm64/include/asm/uaccess.h, line 66

x86

arch/x86/include/asm/uaccess.h, line 32

通用

include/asm-generic/uaccess.h, line 28

arm64的定义如下

static inline void set_fs(mm_segment_t fs)

{

current_thread_info()->addr_limit = fs;

/*

* Enable/disable UAO so that copy_to_user() etc can access

* kernel memory with the unprivileged instructions.

*/

if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_UAO) && fs == KERNEL_DS)

asm(ALTERNATIVE("nop", SET_PSTATE_UAO(1), ARM64_HAS_UAO));

else

asm(ALTERNATIVE("nop", SET_PSTATE_UAO(0), ARM64_HAS_UAO,

CONFIG_ARM64_UAO));

}

x86定义

static inline void set_fs(mm_segment_t fs)

{

current->thread.addr_limit = fs;

/* On user-mode return, check fs is correct */

set_thread_flag(TIF_FSCHECK);

}

4.5 检查进程设置进程PF_EXITING

首先是检查PF_EXITING标识, 此标识表示进程正在退出,

如果此标识已被设置,则进一步设置PF_EXITPIDONE标识,并将进程的状态设置为不可中断状态TASK_UNINTERRUPTIBLE,　并进行一次进程调度

/*current->flags的PF_EXITING标志表示进程正在被删除 */

if (unlikely(tsk->flags & PF_EXITING)) { /* 检查PF_EXITING标志是否未被设置 */

pr_alert("Fixing recursive fault but reboot is needed!n");

/*

* We can do this unlocked here. The futex code uses

* this flag just to verify whether the pi state

* cleanup has been done or not. In the worst case it

* loops once more. We pretend that the cleanup was

* done as there is no way to return. Either the

* OWNER_DIED bit is set by now or we push the blocked

* task into the wait for ever nirwana as well.

*/

/* 设置进程标识为PF_EXITPIDONE*/

tsk->flags |= PF_EXITPIDONE;

/* 设置进程状态为不可中断的等待状态 */

set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);

/* 调度其它进程 */

schedule();

}

如果此标识未被设置, 则通过exit_signals来设置

/*

tsk->flags |= PF_EXITING;

http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/signal.c#L2383

*/

exit_signals(tsk); /* sets tsk->flags PF_EXITING 设置PF_EXITING标志

4.6 内存屏障

/*

* tsk->flags are checked in the futex code to protect against

* an exiting task cleaning up the robust pi futexes.

*/

/* 内存屏障，用于确保在它之后的操作开始执行之前，它之前的操作已经完成 */

smp_mb();

/* 一直等待，直到获得current->pi_lock自旋锁 */

raw_spin_unlock_wait(&tsk->pi_lock);

4.7 同步进程的mm的rss_stat

/* sync mm's RSS info before statistics gathering */

if (tsk->mm)

sync_mm_rss(tsk->mm);

4.8 获取current->mm->rss_stat.count[member]计数

/*

cct_update_integrals - update mm integral fields in task_struct

更新进程的运行时间, 获取current->mm->rss_stat.count[member]计数

http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/tsacct.c?v=4.6#L152

*/

acct_update_integrals(tsk);

函数的实现如下, 参见 http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/tsacct.c?v=4.6#L156

void acct_update_integrals(struct task_struct *tsk)

{

cputime_t utime, stime;

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

task_cputime(tsk, &utime, &stime);

__acct_update_integrals(tsk, utime, stime);

local_irq_restore(flags);

}

其中task_cputime获取了进程的cpu时间__acct_update_integr定义如下

参照http://lxr.free-electrons.com/source/kernel/tsacct.c#L125

static void __acct_update_integrals(struct task_struct *tsk,

cputime_t utime, cputime_t stime)

{

cputime_t time, dtime;

u64 delta;

if (!likely(tsk->mm))

return;

time = stime + utime;

dtime = time - tsk->acct_timexpd;

/* Avoid division: cputime_t is often in nanoseconds already. */

delta = cputime_to_nsecs(dtime);

if (delta < TICK_NSEC)

return;

tsk->acct_timexpd = time;

/*

* Divide by 1024 to avoid overflow, and to avoid division.

* The final unit reported to userspace is Mbyte-usecs,

* the rest of the math is done in xacct_add_tsk.

*/

tsk->acct_rss_mem1 += delta * get_mm_rss(tsk->mm) >> 10;

tsk->acct_vm_mem1 += delta * tsk->mm->total_vm >> 10;

}

4.9 清除定时器

group_dead = atomic_dec_and_test(&tsk->signal->live);

if (group_dead) {

hrtimer_cancel(&tsk->signal->real_timer);

exit_itimers(tsk->signal);

if (tsk->mm)

setmax_mm_hiwater_rss(&tsk->signal->maxrss, tsk->mm);

}

4.10 收集进程会计信息

acct_collect(code, group_dead);

4.11 审计

if (group_dead)

tty_audit_exit();//记录审计事件

audit_free(tsk);// 释放struct audit_context结构体

4.12 释放进程占用的资源

释放线性区描述符和页表

/* 释放存储空间

放弃进程占用的mm,如果没有其他进程使用该mm，则释放它。

*/

exit_mm(tsk);

输出进程会计信息

if (group_dead)

acct_process();

trace_sched_process_exit(tsk);

释放用户空间的“信号量”

exit_sem(tsk); /* 释放用户空间的“信号量” */

遍历current->sysvsem.undo_list链表，并清除进程所涉及的每个IPC信号量的操作痕迹

释放锁

exit_shm(tsk); /* 释放锁 */

释放文件对象相关资源

exit_files(tsk); /* 释放已经打开的文件 */

释放struct fs_struct结构体

exit_fs(tsk); /* 释放用于表示工作目录等结构 */

脱离控制终端

if (group_dead)

disassociate_ctty(1);

释放命名空间

exit_task_namespaces(tsk); /* 释放命名空间 */

exit_task_work(tsk);

释放task_struct中的thread_struct结构

exit_thread(); /* */

触发thread_notify_head链表中所有通知链实例的处理函数，用于处理struct thread_info结构体

Performance Event功能相关资源的释放

perf_event_exit_task(tsk);

Performance Event功能相关资源的释放

cgroup_exit(tsk);

注销断点

/*

* FIXME: do that only when needed, using sched_exit tracepoint

*/

flush_ptrace_hw_breakpoint(tsk);

更新所有子进程的父进程

exit_notify(tsk, group_dead);

进程事件连接器(通过它来报告进程fork、exec、exit以及进程用户ID与组ID的变化)

proc_exit_connector(tsk);

用于NUMA，当引用计数为0时，释放struct mempolicy结构体所占用的内存

#ifdef CONFIG_NUMA

task_lock(tsk);

mpol_put(tsk->mempolicy);

tsk->mempolicy = NULL;

task_unlock(tsk);

#endif

释放struct futex_pi_state结构体所占用的内存

#ifdef CONFIG_FUTEX

if (unlikely(current->pi_state_cache))

kfree(current->pi_state_cache);

#endif

释放struct io_context结构体所占用的内存

if (tsk->io_context)

exit_io_context(tsk);

释放与进程描述符splice_pipe字段相关的资源

if (tsk->splice_pipe)

free_pipe_info(tsk->splice_pipe);

if (tsk->task_frag.page)

put_page(tsk->task_frag.page);

4.13 检查有多少未使用的进程内核栈

check_stack_usage();

4.14 调度其它进程

/* causes final put_task_struct in finish_task_switch(). */

tsk->state = TASK_DEAD;

tsk->flags |= PF_NOFREEZE; /* tell freezer to ignore us */

/*

重新调度，因为该进程已经被设置成了僵死状态，因此永远都不会再把它调度回来运行了，也就实现了do_exit不会有返回的目标 */

schedule();

在设置了进程状态为TASK_DEAD后,进程进入僵死状态,进程已经无法被再次调度, 因为对应用程序或者用户空间来说此进程已经死了,但是尽管进程已经不能再被调度，但系统还是保留了它的进程描述符，这样做是为了让系统有办法在进程终止后仍能获得它的信息。

在父进程获得已终止子进程的信息后，子进程的task_struct结构体才被释放(包括此进程的内核栈)。