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学习Linux进程冻结技术

news 2025/6/24 7:05:50

原文：蜗窝科技Linux进程冻结技术

功耗中经常需要用到，但是linux这块了解甚少，看到这个文章还蛮适合我阅读的

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。

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：

/** * @brief 尝试将当前任务（进程）主动置入冻结状态（非安全上下文） * @return bool - true: 冻结成功；false: 未触发冻结条件 * @note 此函数通常在原子上下文或中断禁用场景调用，需确保无锁竞争风险 */static inline bool try_to_freeze_unsafe(void){    // 检查当前进程是否满足冻结条件（通过freezing(current)快速判断）    if (likely(!freezing(current)))         return false; // 系统未启用冻结或当前进程无需冻结    // 调用核心冻结逻辑，参数false表示非强制冻结（允许进程自行处理信号等）    return __refrigerator(false); }/** * @brief 快速检查系统全局冻结状态及当前进程的冻结条件 * @param p - 待检查的进程描述符（struct task_struct指针） * @return bool - true: 需要冻结；false: 无需冻结 * @note 通过原子变量system_freezing_cnt优化高频调用的性能 */static inline bool freezing(struct task_struct *p){    // 原子读取系统全局冻结计数器，若为0则快速返回（likely优化分支预测）    if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt)))        return false; // 系统未启用冻结功能    // 进入慢速路径，进一步检查进程特定的冻结条件    return freezing_slow_path(p);}/** * @brief 慢速路径检查进程的详细冻结条件 * @param p - 待检查的进程描述符 * @return bool - true: 需冻结；false: 豁免冻结 * @note 此函数处理以下冻结策略： *       1. PF_NOFREEZE标记的进程（如内核关键线程）始终豁免 *       2. 系统级冻结（pm_nosig_freezing）或cgroup冻结策略 *       3. 用户进程冻结（pm_freezing）且非内核线程 */bool freezing_slow_path(struct task_struct *p){    // 检查进程是否标记为禁止冻结（如某些关键内核线程）    if (p->flags & PF_NOFREEZE)          return false; // 明确豁免冻结    // 检查系统是否处于"无信号"冻结模式（如休眠时冻结内核线程）    // 或进程属于需冻结的cgroup    if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p))          return true; // 强制冻结    // 检查系统是否在冻结用户进程，且当前进程为用户进程（非内核线程）    if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD))         return true; // 冻结用户空间进程    return false; // 默认不冻结}

进入冻结状态直到恢复的主要函数:

bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)

for (;;) {  // 无限循环，直到满足解冻条件    /* 1. 设置进程为不可中断睡眠状态（D状态）     * - TASK_UNINTERRUPTIBLE 确保进程不会被信号唤醒，仅能通过内核主动唤醒     * - 这种状态是冻结进程的核心，避免进程在冻结期间被调度执行 */    set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);    /* 2. 获取 freezer_lock 自旋锁并禁用中断（spin_lock_irq）     * - 保护对 current->flags 的原子修改，防止竞态条件     * - 禁用中断避免中断处理程序并发访问冻结状态 */    spin_lock_irq(&freezer_lock);    /* 3. 标记当前进程为已冻结（PF_FROZEN）     * - PF_FROZEN 是冻结完成的标志，被 thaw_processes() 等解冻函数检测     * - 此处仅设置标志，实际冻结通过后续 schedule() 放弃CPU实现 */    current->flags |= PF_FROZEN;    /* 4. 检查是否需要解除冻结：     * - freezing(current): 系统是否仍要求冻结（如休眠未完成）     * - kthread_should_stop(): 内核线程是否收到停止信号（如模块卸载）     * 若任一条件为真，则清除 PF_FROZEN 标志，准备退出循环 */    if (!freezing(current) || (check_kthr_stop && kthread_should_stop()))        current->flags &= ~PF_FROZEN;  // 清除冻结标志    spin_unlock_irq(&freezer_lock);  // 释放锁并恢复中断    /* 5. 检查是否已解除冻结：     * - 若 PF_FROZEN 被清除，则跳出循环，恢复执行     * - 否则继续进入调度等待 */    if (!(current->flags & PF_FROZEN))        break;    /* 6. 记录冻结状态并主动放弃CPU     * - was_frozen 用于返回是否曾被冻结（用于统计或调试）     * - schedule() 触发进程切换，当前进程进入睡眠队列，直到被解冻唤醒 */    was_frozen = true;    schedule();  // 调用调度器，进程进入睡眠状态}