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。

struct cgroup_root cgrp_dfl_root;
EXPORT_SYMBOL_GPL(cgrp_dfl_root);

理解了cgroup结构，里面的设置就可以基本看懂了。

参考

https://files.cnblogs.com/files/lisperl/cgroups介绍.pdf
http://tech.meituan.com/cgroups.html
http://coolshell.cn/articles/17049.html