linux 進程管理-----pid哈希鏈表

轉自：http://blog.chinaunix.net/uid-24227137-id-3595819.html

爲了較快的從給定的pid值得到相應的宿主結構（進程描述符）指針，內核採用了pid哈希鏈表結構。

首先，以下的問題要理解：

1）爲什麼pid哈希鏈表只定義2048或者4096項（根據你的內存大小確定）？直接定義爲pid最大值不是最好嗎？

我們都知道，查找的最快方式就是數組了，可以在常數的時間內完成查找。假如我們的pid最大值爲32768，那麼我們完全可以定義一個 struct task_struct* name[32768];進而可以最快速的從給定的pid值中找到其相應的宿主結構。也就是指向該pid進程的進程描述符指針。

然而，這確實一種不理智的方法。雖然進程PID的最大值爲32768，但是，我們在實際應用中所能用的pid值要平均值要遠遠低於這個值。這樣的話，會造成大量的物理空間浪費。假如我們用到了2768個pid，那麼還有30000*4bytes的空間浪費。

2）特殊情況的需求

設想這樣一種情況：假設內核必須回收一個給定pid值的線程組內的所有線程，（線程組內的所有線程的pid值都是相同的）在上述數組形式的定義中，是無法完成的。

而我們要做的是必須爲這種形式的線程組（pid值相同）組織成一個鏈表。這個鏈表的節點，就是這個線程組內的全部線程。

而pid哈希鏈表能很好的完成上述的1）2）兩點。

下面我們看一下內核對pid哈希鏈表的定義和初始化過程以及相關的操作。

static struct hlist_head *pid_hash[PIDTYPE_MAX];
系統在初始化期間手動的創建了一個含有PIDTYPE_MAX個元素的指針數組。
用於存放指向hash桶的指針。
並且在start_kernel期間調用pidhash_init函數對hash桶進行初始化。
303 void __init pidhash_init(void)
     /*  */
 304 {
 305         int i, j, pidhash_size;
 306         unsigned long megabytes = nr_kernel_pages >> (20 - PAGE_SHIFT);
 307
 308         pidhash_shift = max(10, fls(megabytes * 4));
 309         pidhash_shift = min(12, pidhash_shift);
 310         pidhash_size = 1 << pidhash_shift;
 311
 312         printk("PID hash table entries: %d (order: %d, %Zd bytes)\n",
 313                 pidhash_size, pidhash_shift,
 314                 PIDTYPE_MAX * pidhash_size * sizeof(struct hlist_head));
 315        #######以上爲桶的大小設置和桶中含有的entry個數設置
     #######dmesg結果顯示：PID hash table entries: 4096 (order: 12, 16384 bytes)
     #######pidhash_size(桶大小）：4096*4bytes entries:4096
     #######也就是說桶中存有4096個指針，指針指向struct hlist_node結構
 316         for (i = 0; i < PIDTYPE_MAX; i++) {
 317                 pid_hash[i] = alloc_bootmem(pidhash_size *
 318                                         sizeof(*(pid_hash[i])));
     #######在系統啓動期間slab和alloc分配器都還沒有建立好
     #######採用allocbootmem內存分配器對系統初始化期間的內存進行分配
 319                 if (!pid_hash[i])
 320                         panic("Could not alloc pidhash!\n");
 321                 for (j = 0; j < pidhash_size; j++)
 322                         INIT_HLIST_HEAD(&pid_hash[i][j]);
     #######將桶中指向struct hlist_node 結構的指針first初始化爲NULL
 323         }
經過這個函數 pid哈希鏈表 被初始化完成。

 

與此同時，start_kernel期間也對pid位圖進行了相應的初始化。利用pid位圖對進程pid號進行管理是一種簡單並且高效的形式。（bit：0代表這個pid可以使用bit：1代表這個pid已經被佔用）

系統在初始化期間手動的爲表示進程pid號的位圖分配空間並且初始化。

  50 typedef struct pidmap 
{
  51 atomic_t nr_free;
  52 void *page;
  53 } pidmap_t;

  55 static pidmap_t pidmap_array[PIDMAP_ENTRIES]
=
  56 { [ 0
... PIDMAP_ENTRIES-1
] = 
{ ATOMIC_INIT(BITS_PER_PAGE),
NULL } 
};

位圖初始化期間：利用get_zeroed_page函數爲位圖提供一個物理上的頁框，並且此頁框被實現初始化爲0.

這樣，一個大小爲4K的物理頁框，可以表示的進程號個數爲：4*1024*8=32768；

但是有一點我們要主要：由於進程號0的特殊性，我們事先將其設置爲不可用，也就是將位圖的0號位設置爲1，並把相應表示目前可用的pid號的個數減1.

326 void __init pidmap_init(void)
     /*
*/
 327 {
 328 int i;
 329
 330 pidmap_array->page
= (void 
*)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
 331 set_bit(0, pidmap_array->page);
 332 atomic_dec(&pidmap_array->nr_free);
 333
 334 /*
 335 * Allocate PID 0,
and hash it via all PID types:
 336 */
 337
 338 for (i
= 0; i 
< PIDTYPE_MAX; i++)
 339 attach_pid(current, i, 0);
 340 }

上述代碼通過attach_pid函數將0號進程進行hash，將其hash到上面已經初始化好的hash鏈表桶中。

我們知道每個進程中都有：struct pid pids[PIDTYPE_MAX]；而hash鏈表正是通過這個結構進行鏈接。

上述函數中，首先通過find_pid函數在指定類型和nr號的哈希鏈表中查找pid結構。如果找到則返回指向struct pid的指針 否則返回NULL。

接下來的代碼根據find_pid的返回值，做出相應的動作。

1）pid爲NULL，說明新attach的包含struct pid的進程描述符是哈希鏈表的第一個元素，將其插入頭結點之後，並將struct pid的pid_list字段設置爲NULL。struct list_head pid_list是由於連接具有相同nr號的進程描述符的連接件。

2）pid不爲NULL,說明相應的哈希鏈表中已經存在了nr號爲“nr”的進程描述符，我們只需將我們的進程描述符attach到相應的哈希鏈表的進程鏈表中。

 

通過上面的兩個函數我們還可以得知：所有桶中（一般爲4個）0號索引對應的哈希鏈表的第一個進程描述符元素都爲0號進程的進程描述符。

而與attach_pid函數對應的操作爲dettach_pid：將pid所在的進程描述符從對應的pid哈希鏈表中刪除，這個函數的定義如下：

 192 void fastcall detach_pid(task_t
*task, enum pid_type type)
     /*
*/
 193 {
 194 int tmp, nr;
 195
 196 nr = __detach_pid(task, type);
 197 if (!nr)
 198 return;
 199
 200 for (tmp
= PIDTYPE_MAX;
--tmp 
>= 0;
)
 201 if (tmp
!= type 
&& find_pid(tmp, nr))
 202 return;
 203
 204 free_pidmap(nr);
 205 }

核心函數爲__detach_pid(task,type)

166 static fastcall int __detach_pid(task_t
*task, enum pid_type type)
     /*
*/
 167 {
 168 struct pid *pid,
*pid_next;
 169 int nr = 0;
 170
 171 pid = &task->pids[type];
 172 if (!hlist_unhashed(&pid->pid_chain))
{
 173
 174 if (list_empty(&pid->pid_list))
{
 175 nr = pid->nr;
 176 hlist_del_rcu(&pid->pid_chain);
 177 } else
{
 178 pid_next = list_entry(pid->pid_list.next,
 179 struct pid, pid_list);
 180 /* insert
next pid from pid_list 
to hash */
 181 hlist_replace_rcu(&pid->pid_chain,
 182 &pid_next->pid_chain);
 183 }
 184 }
 185
 186 list_del_rcu(&pid->pid_list);
 187 pid->nr
= 0;
 188
 189 return nr;
 190 }

函數首先判斷task指向的進程是否已經被hash進pid哈希鏈表，注意有可能是哈希鏈表中的進程鏈表。

如果不是哈希鏈表的節點，直接將其從所在的進程鏈表中刪除。此時返回nr=0，我們後面可以看到，detach_pid函數根據nr值來判斷是否需要將pid位圖中相應的pid位清0，以此來使繼續可以被使用。

如果是hash鏈表中的節點，還要判斷

1）是否此哈希鏈表節點所在的進程鏈表只有這個節點。如果是將nr設置爲pid->nr 並將這個節點刪除

2）如果哈希鏈表節點所在的進程鏈表還有別的節點。那麼用下一個節點replace這個節點。注意此時並未設置nr的值。也就是說返回的nr=0

當從__datach_pid返回後，接下來的任務就是判斷是否需要將pid對應的pid位圖中相應的位清0

1）如果nr=0，不需要清0 函數直接返回。通過上面我們知道，函數在兩種情況下會返回nr=0 ：

  一，進程鏈表非空（此時暗指的含義就是這個pid還被其餘的進程/線程使用着，不能在位圖中將其釋放； 

  二，刪除的就是nr=0的進程描述符。這是也不需要在位圖中將其釋放；因爲0號pid比較特殊是不允許其他進程使用的。

2）如果nr不等於0，還要判斷在其他類型的哈希鏈表中是否存在這樣的進程描述符，如果存在也表明其正在使用不能釋放。

如果上述兩步都沒有return那麼的確是需要將pid位圖中想的pid表示位清0，以供系統使用。

上述的代碼中有一處理解容易出現問題：

 200 for 
(tmp = PIDTYPE_MAX;
--tmp 
>= 0;
)
 201 if (tmp
!= type 
&& find_pid(tmp, nr))
 202 return;

爲什麼只搜索其他類型的hash鏈表而不處理我們剛剛將其刪pid的類型的hash鏈表呢？因爲對於剛剛刪除的進程描述符的類型的hash鏈表 我們應經用nr的值來表明是否需要清位圖位了。

如果nr=0那麼刪除的進程描述符所在的進程鏈表是非空的---不必刪除

如果進程鏈表是空的那麼nr=pid-->nr我們不考慮0號pid那麼這個nr一定爲非0就說明我這個類型的hash鏈表不用這個進程號了 你查查其他類型的hash鏈表是否還使用吧。

如果其他有一個在使用，OK 不刪返回。如果都不用，那麼我就清理門戶pidbitmap 相應位設置爲0了。