linux源码分析（四）－start_kernel－cgroup

前置：这里使用的linux版本是4.8，x86体系。

cgroup_init_early();

聊这个函数就需要先了解cgroup。

cgroup概念

这个函数就是初始化cgroup所需要的参数的。cgroup最初是在2006年由google的一名工程师提出的，目的是把一些共同目标的进程放在一个组里面，而这个组里面的进程能共享指定数额的资源。而后就有了cgroup这个概念了。

我们把每种资源叫做子系统，比如CPU子系统，内存子系统。为什么叫做子系统呢，因为它是从整个操作系统的资源衍生出来的。然后我们创建一种虚拟的节点，叫做cgroup，然后这个虚拟节点可以扩展，以树形的结构，有root节点，和子节点。这个父节点和各个子节点就形成了层级（hierarchiy）。每个层级都可以附带继承一个或者多个子系统，就意味着，我们把资源按照分割到多个层级系统中，层级系统中的每个节点对这个资源的占比各有不同。

下面我们想法子把进程分组，进程分组的逻辑叫做css_set。这里的css是cgroup_subsys_state的缩写。所以css_set和进程的关系是一对多的关系。另外，在cgroup眼中，进程请不要叫做进程，叫做task。这个可能是为了和内核中进程的名词区分开吧。

进程分组css_set，不同层级中的节点cgroup也都有了。那么，就要把节点cgroup和层级进行关联，和数据库中关系表一样。这个事一个多对多的关系。为什么呢？首先，一个节点可以隶属于多个css_set，这就代表这这批css_set中的进程都拥有这个cgroup所代表的资源。其次，一个css_set需要多个cgroup。因为一个层级的cgroup只代表一种或者几种资源，而一般进程是需要多种资源的集合体。

美团的这个图片描写的非常清晰，一看就了解了：

task_struct

首先先看进程的结构，里面和cgroup有关的是

#ifdef CONFIG_CGROUPS // 设置这个进程属于哪个css_set struct css_set __rcu *cgroups; // cg_list是用于将所有同属于一个css_set的task连成一起 struct list_head cg_list; #endif

我们会在代码中经常见到list_head。它其实就是表示，这个在链表中存在。

struct list_head { struct list_head *next, *prev;
};

它的结构很简单，就能把某种相同性质的结构连成一个链表，根据这个链表我能前后找全整个链表或者头部节点等。

css_set

结构体在include/linux/cgroup-defs.h中。

struct css_set { // 引用计数，gc使用，如果子系统有引用到这个css_set,则计数＋1 atomic_t refcount; // TODO: 列出有相同hash值的cgroup（还不清楚为什么） struct hlist_node hlist; // 将所有的task连起来。mg_tasks代表迁移的任务 struct list_head tasks; struct list_head mg_tasks; // 将这个css_set对应的cgroup连起来 struct list_head cgrp_links; // 默认连接的cgroup struct cgroup *dfl_cgrp; // 包含一系列的css(cgroup_subsys_state)，css就是子系统，这个就代表了css_set和子系统的多对多的其中一面 struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; // 内存迁移的时候产生的系列数据 struct list_head mg_preload_node; struct list_head mg_node; struct cgroup *mg_src_cgrp; struct cgroup *mg_dst_cgrp; struct css_set *mg_dst_cset; // 把->subsys[ssid]->cgroup->e_csets[ssid]结构展平放在这里，提高迭代效率 struct list_head e_cset_node[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; // 所有迭代任务的列表，这个补丁参考:https://patchwork.kernel.org/patch/7368941/ struct list_head task_iters; // 这个css_set是否已经无效了 bool dead; // rcu锁所需要的callback等信息 struct rcu_head rcu_head;
};

这里说一下rcu锁，这个锁是linux2.6引入的。它是非常高效的，适合读多写少的情况。全称是（Read-Copy Update）读－拷贝修改。原理就是读操作的时候，不需要任何锁，直接进行读取，写操作的时候，先拷贝一个副本，然后对副本进行修改，最后使用回调（callback）在适当的时候把指向原来数据的指针指向新的被修改的数据。https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-rcu/

这里的rcu_head就存储了对这个结构上rcu锁所需要的回调信息。

struct callback_head { struct callback_head *next; void (*func)(struct callback_head *head);
} __attribute__((aligned(sizeof(void *)))); #define rcu_head callback_head

回到css_set，其实最重要的就是cgroup_subsys_state subsys[]数组这个结构。

cgroup_subsys_state 和 cgroup_subsys

这个结构最重要的就是存储的进程与特定子系统相关的信息。通过它，可以将task_struct和cgroup连接起来了：task_struct->css_set->cgroup_subsys_state->cgroup

struct cgroup_subsys_state { // 对应的cgroup struct cgroup *cgroup; // 子系统 struct cgroup_subsys *ss; // 带cpu信息的引用计数（不大理解） struct percpu_ref refcnt; // 父css struct cgroup_subsys_state *parent; // 兄弟和孩子链表串 struct list_head sibling; struct list_head children; // css的唯一id int id; // 可设置的flag有：CSS_NO_REF/CSS_ONLINE/CSS_RELEASED/CSS_VISIBLE unsigned int flags; // 为了保证遍历的顺序性，设置遍历按照这个字段的升序走 u64 serial_nr; // 计数，计算本身css和子css的活跃数，当这个数大于1，说明还有有效子css atomic_t online_cnt; // TODO: 带cpu信息的引用计数使用的rcu锁（不大理解） struct rcu_head rcu_head; struct work_struct destroy_work;
};

cgroup_subsys结构体在include/linux/cgroup-defs.h里面

struct cgroup_subsys { // 下面的是函数指针，定义了子系统对css_set结构的系列操作 struct cgroup_subsys_state *(*css_alloc)(struct cgroup_subsys_state *parent_css); int (*css_online)(struct cgroup_subsys_state *css); void (*css_offline)(struct cgroup_subsys_state *css); void (*css_released)(struct cgroup_subsys_state *css); void (*css_free)(struct cgroup_subsys_state *css); void (*css_reset)(struct cgroup_subsys_state *css); // 这些函数指针表示了对子系统对进程task的一系列操作 int (*can_attach)(struct cgroup_taskset *tset); void (*cancel_attach)(struct cgroup_taskset *tset); void (*attach)(struct cgroup_taskset *tset); void (*post_attach)(void); int (*can_fork)(struct task_struct *task); void (*cancel_fork)(struct task_struct *task); void (*fork)(struct task_struct *task); void (*exit)(struct task_struct *task); void (*free)(struct task_struct *task); void (*bind)(struct cgroup_subsys_state *root_css); // 是否在前期初始化了 bool early_init:1; // 如果设置了true，那么在cgroup.controllers和cgroup.subtree_control就不会显示, TODO: bool implicit_on_dfl:1; // 如果设置为false，则子cgroup会继承父cgroup的子系统资源，否则不继承或者只继承一半 // 但是现在，我们规定，不允许一个cgroup有不可继承子系统仍然可以衍生出cgroup。如果做类似操作，我们会根据 // warned_broken_hierarch出现错误提示。 bool broken_hierarchy:1; bool warned_broken_hierarchy:1; int id; const char *name; // 如果子cgroup的结构继承子系统的时候没有设置name，就会沿用父系统的子系统名字，所以这里存的就是父cgroup的子系统名字 const char *legacy_name; struct cgroup_root *root; // 这个就是子系统指向的层级中的root的cgroup struct idr css_idr; // 对应的css的idr // 对应的文件系统相关信息 struct list_head cfts; struct cftype *dfl_cftypes; /* 默认的文件系统 */ struct cftype *legacy_cftypes; /* 继承的文件系统 */ // 有的子系统是依赖其他子系统的，这里是一个掩码来表示这个子系统依赖哪些子系统 unsigned int depends_on;
};

这里特别说一下cftype。它是cgroup_filesystem_type的缩写。这个要从我们的linux虚拟文件系统说起（VFS）。VFS封装了标准文件的所有系统调用。那么我们使用cgroup，也抽象出了一个文件系统，自然也需要实现这个VFS。实现这个VFS就是使用这个cftype结构。

这里说一下idr。这个是linux的整数id管理机制。你可以把它看成一个map，这个map是把id和制定指针关联在一起的机制。它的原理是使用基数树。一个结构存储了一个idr，就能很方便根据id找出这个id对应的结构的地址了。http://blog.csdn.net/dlutbrucezhang/article/details/10103371

cgroup

cgroup结构也在相同文件，但是cgroup_root和子节点cgroup是使用两个不同结构表示的。

struct cgroup { // cgroup所在css struct cgroup_subsys_state self; unsigned long flags; int id; // 这个cgroup所在层级中，当前cgroup的深度 int level; // 每当有个非空的css_set和这个cgroup关联的时候，就增加计数1 int populated_cnt; struct kernfs_node *kn; /* cgroup kernfs entry */ struct cgroup_file procs_file; /* handle for "cgroup.procs" */ struct cgroup_file events_file; /* handle for "cgroup.events" */ // TODO: 不理解 u16 subtree_control;
    u16 subtree_ss_mask;
    u16 old_subtree_control;
    u16 old_subtree_ss_mask; // 一个cgroup属于多个css，这里就是保存了cgroup和css直接多对多关系的另一半 struct cgroup_subsys_state __rcu *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; // 根cgroup struct cgroup_root *root; // 相同css_set的cgroup链表 struct list_head cset_links; // 这个cgroup使用的所有子系统的每个链表 struct list_head e_csets[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; // TODO: 不理解 struct list_head pidlists; struct mutex pidlist_mutex; // 用来保存下线task wait_queue_head_t offline_waitq; // TODO: 用来保存释放任务？(不理解) struct work_struct release_agent_work; // 保存每个level的祖先 int ancestor_ids[];
};

这里看到一个新的结构，wait_queue_head_t，这个结构是用来将一个资源挂在等待队列中，具体参考：http://www.cnblogs.com/lubiao/p/4858086.html

还有一个结构是cgroup_root

struct cgroup_root { // TODO: 不清楚 struct kernfs_root *kf_root; // 子系统掩码 unsigned int subsys_mask; // 层级的id int hierarchy_id; // 根部的cgroup，这里面就有下级cgroup struct cgroup cgrp; // 相等于cgrp->ancester_ids[0] int cgrp_ancestor_id_storage; // 这个root层级下的cgroup数，初始化的时候为1 atomic_t nr_cgrps; // 串起所有的cgroup_root struct list_head root_list; unsigned int flags; // TODO: 不清楚 struct idr cgroup_idr; // TODO: 不清楚 char release_agent_path[PATH_MAX]; // 这个层级的名称，有可能为空 char name[MAX_CGROUP_ROOT_NAMELEN];
};

cgroup_init_early

回到这个函数

int __init cgroup_init_early(void)
{ // 初始化cgroup_root，就是一个cgroup_root的结构 init_cgroup_root(&cgrp_dfl_root, &opts);
    cgrp_dfl_root.cgrp.self.flags |= CSS_NO_REF;

    RCU_INIT_POINTER(init_task.cgroups, &init_css_set);

    for_each_subsys(ss, i) {
        WARN(!ss->css_alloc || !ss->css_free || ss->name || ss->id, "invalid cgroup_subsys %d:%s css_alloc=%p css_free=%p id:name=%d:%s\n",
             i, cgroup_subsys_name[i], ss->css_alloc, ss->css_free,
             ss->id, ss->name);
        WARN(strlen(cgroup_subsys_name[i]) > MAX_CGROUP_TYPE_NAMELEN, "cgroup_subsys_name %s too long\n", cgroup_subsys_name[i]);

        ss->id = i;
        ss->name = cgroup_subsys_name[i]; if (!ss->legacy_name)
            ss->legacy_name = cgroup_subsys_name[i]; if (ss->early_init)
            cgroup_init_subsys(ss, true);
    } return 0;
}

这个函数初始化的cgroup_root是一个全局的变量。定义在kernel/cgroup.c中。