分享Linux程式凍結技術

導讀	程式凍結技術（freezing of tasks）是指在系統hibernate或者suspend的時候，將使用者程式和部分核心執行緒置於“可控”的暫停狀態。

程式凍結技術（freezing of tasks）是指在系統hibernate或者suspend的時候，將使用者程式和部分核心執行緒置於“可控”的暫停狀態。

假設沒有凍結技術，程式可以在任意可排程的點暫停，而且直到cpu_down才會暫停並遷移。這會給系統帶來很多問題：

（1）有可能破壞檔案系統。在系統建立hibernate image到cpu down之間，如果有程式還在修改檔案系統的內容，這將會導致系統恢復之後無法完全恢復檔案系統；

（2）有可能導致建立hibernation image失敗。建立hibernation image需要足夠的記憶體空間，但是在這期間如果還有程式在申請記憶體，就可能導致建立失敗；

（3）有可能干擾裝置的suspend和resume。在cpu down之前，device suspend期間，如果程式還在訪問裝置，尤其是訪問競爭資源，就有可能引起裝置suspend異常；

（4）有可能導致程式感知系統休眠。系統休眠的理想狀態是所有任務對休眠過程無感知，睡醒之後全部自動恢復工作，但是有些程式，比如某個程式需要所有cpu online才能正常工作，如果程式不凍結，那麼在休眠過程中將會工作異常。

凍結的物件是核心中可以被排程執行的實體，包括使用者程式、核心執行緒和work_queue。使用者程式預設是可以被凍結的，借用訊號處理機制實現；核心執行緒和work_queue預設是不能被凍結的，少數核心執行緒和work_queue在建立時指定了freezable標誌，這些任務需要對freeze狀態進行判斷，當系統進入freezing時，主動暫停執行。

kernel threads可以透過呼叫kthread_freezable_should_stop來判斷freezing狀態，並主動呼叫__refrigerator進入凍結；work_queue透過判斷max_active屬性，如果max_active=0，則不能入隊新的work，所有work延後執行。

標記系統freeze狀態的有三個重要的全域性變數：pm_freezing、system_freezing_cnt和pm_nosig_freezing，如果全為0，表示系統未進入凍結；system_freezing_cnt》0表示系統進入凍結，pm_freezing=true表示凍結使用者程式，pm_nosig_freezing=true表示凍結核心執行緒和workqueue。它們會在freeze_processes和freeze_kernel_threads中置位，在thaw_processes和thaw_kernel_threads中清零。

fake_signal_wake_up函式巧妙的利用了訊號處理機制，只設定任務的TIF_SIGPENDING位，但不傳遞任何訊號，然後喚醒任務；這樣任務在返回使用者態時會進入訊號處理流程，檢查系統的freeze狀態，並做相應處理。

任務主動呼叫try_to_freeze的程式碼如下：

static inline bool try_to_freeze_unsafe（void）
{
if （likely（！freezing（current））） //檢查系統是否處於freezing狀態
return false;
return __refrigerator（false）; //主動進入凍結
}
static inline bool freezing（struct task_struct *p）
{
if （likely（！atomic_read（&system_freezing_cnt））） //系統總體進入freezing
return false;
return freezing_slow_path（p）;
}
bool freezing_slow_path（struct task_struct *p）
{
if （p-》flags & PF_NOFREEZE） //當前程式是否允許凍結
return false;
if （pm_nosig_freezing || cgroup_freezing（p）） //系統凍結kernel threads
return true;
if （pm_freezing && ！（p-》flags & PF_KTHREAD）） //系統凍結使用者程式
return true;
return false;
}
進入凍結狀態直到恢復的主要函式：bool __refrigerator（bool check_kthr_stop）
{
。..
for （;;） {
set_current_state（TASK_UNINTERRUPTIBLE）; //設定程式為UNINTERRUPTIBLE狀態
spin_lock_irq（&freezer_lock）;
current-》flags |= PF_FROZEN; //設定已凍結狀態
if （！freezing（current） ||
（check_kthr_stop && kthread_should_stop（））） //判斷系統是否還處於凍結
current-》flags &= ~PF_FROZEN; //如果系統已解凍，則取消凍結狀態
spin_unlock_irq（&freezer_lock）;
if （！（current-》flags & PF_FROZEN）） //如果已取消凍結，跳出迴圈，恢復執行
break;
was_frozen = true;
schedule（）;
}
。..。..
}

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