linux下的进程关系与pid namespace

Overview

Linux使用struct task_struct数据结构来关联所有与进程有关的数据和结构，定义了pid、tgid、pgid、sid四种进程类型。

Note：

• pid —— Process identifier，进程标识符。
• tid —— Thread identifier，线程标识符。
• tgid —— Thread group identifier，线程组标识符。
• pgid —— Process group identifier，进程组标识符。
• sid —— Session identifier，会话标识符。

在v4.12中，与四种进程类型有关的系统调用有以下8个：

getpid	gettid
getppid	getpgrp
getpgid	setpgid
getsid	setsid

Introduction

• pid —— 在特定PID namespaces中，Linux使用pid唯一标识一个进程。使用fork / clone创建一个进程均会被分配一个新的且唯一的pid。
• tid —— Linux的线程由Native POSIX Thread Library（NPTL）实现，本质上是用进程模拟线程，因此内核中并没有tid这种数据，它由pid表示。线程是通过带有CLONE_THREADflag参数clone建立的进程。
• tgid —— 同一个进程通过clone建立了的线程处于同一个线程组，该线程组的ID叫做tgid，线程组组长的tgid与其pid相同。若一个进程没有线程，则其tgid与pid也相同。
• pgid —— 进程组是一个或多个进程的集合，每个进程都属一个进程组，拥有相同的pgid。进程组组长（process group leader）的pid是进程组的ID，用以识别进程，可通过setpgrp为进程设置pgid。
• sid —— 几个进程组使用setsid可以合并成为一个会话组，会话组内的所有进程拥有相同的sid。

Pre-internal

PID namespace

PID namespaces隔离了进程ID，指的是不同的进程在不同的PID namespaces可以有着相同的PID。这个特性是在主机之间迁移容器的先决条件；只有一个PID namespaces的时候，在保持PID不变（保持PID不变是一种需求）的情况下将其迁移到另一个主机可能会失败，因为目标节点上可能存在相同PID的进程。

PID namespaces具有层级顺序，低级的PID namespaces对高级的不可见。一个PID namespaces可以具有多个child PID namespaces，每一个PID namespaces都可以看做parent PID namespaces的一个局部视图。一个新的PID namespaces B从当前PID namespaces A被创建后，处于当前PID namespaces A的进程可以看到B中的所有进程，但反之不成立。

新的PID namespaces通过带有CLONE_NEWPIDflag参数的clone系统调用创建。新namespace种第一个进程的PID是1，它是这个namespace的init进程，属于此namespace的孤儿进程将会被它收养；若这个进程死亡，则整个namespace都会被中止。

Note: reference to 123

Overview of struct task_struct

design

一个进程对应一个struct task_struct

不考虑进程之间的关系、命名空间，仅仅是一个pid对应一个struct task_struct，可以设计如下数据结构：

struct task_struct {
    ...
    struct pid_link pids;
    ...
};

struct pid_link {
    struct hlist_node node;
    struct pid *pid;
};

struct pid {
    struct list_head tasks; // 指回pid_link的node
    int nr; // pid
    struct hlist_node pid_chain; // pid hash table node
};

能用下图描述：

上图中，

• pid_hash[] —— 是一个hash表的结构，根据struct pid的nr值哈希到其某个表项，若有多个nr值对应到同一个表项，则使用散列表法解决冲突。利用链表的container_of机制13可以利用tasks反向得到task_struct。
• pid_map —— 是一个位图（bitmap），是用来唯一分配pid值的结构。

这种设计可以达到：

1. 快速地给新进程在可见的命名空间内分配一个唯一的pid
2. 快速地利用task_struct找到pid
3. 快速地利用pid反向得到task_struct

进程区分了id类型

考虑到进程/线程之间的复杂关系，原来的struct task_struct中的pid_link需要增加几项，用以指向到其组长进程的pid，相应的struct pid也需要增加几项用以链接那些以该pid为组长的所有进程组组内进程：

enum pid_type {
    PIDTYPE_PID,
    PIDTYPE_PGID,
    PIDTYPE_SID,
    PIDTYPE_MAX
}；

struct task_struct {
    ...
    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
    struct task_struct *group_leader; // thread group leader

    struct pid_links pids[PIDTYPE_MAX];
        ...
};

struct pid_link {
    struct hlist_node node;
    struct pid *pid;
};

struct pid {
    struct list_head tasks[PIDTYPE_MAX]; // 指回pid_link的node
    int nr; // pid
    struct hlist_node pid_chain; // pid hash table node
};

新的结构设计示意图如下：

增加了pid namespaces的struct task_struct

在第二种情形下再增加pid namespaces，同一个进程在不同的pid namespaces下有不同的pid，因此新的数据结构如下：

enum pid_type {
    PIDTYPE_PID,
    PIDTYPE_PGID,
    PIDTYPE_SID,
    PIDTYPE_MAX
}；

struct task_struct {
    ...
    struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
    struct task_struct *group_leader; // thread group leader

    struct pid_links pids[PIDTYPE_MAX];
        ...
};

struct pid_link {
    struct hlist_node node;
    struct pid *pid;
};

struct pid {
    unsigned int level; // 表示pid namespaces level
    struct list_head tasks[PIDTYPE_MAX]; // 指回pid_link的node
    struct upid numbers[1]; // 指向特定命名空间的upid
};

struct upid {
    struct hlist_node pid_chain; // pid hash table node
    int nr; // pid
    struct pid_namespace *ns; // 该进程所属的命名空间
};

最终成了这样：

Note：upid是unique pid的缩写。

real_parent vs parent

struct task_struct中有俩parent：

struct task_struct {
    ...
    /* Real parent process: */
    struct task_struct __rcu    *real_parent;

    /* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */
    struct task_struct __rcu    *parent;
        ...
}

Wikipedia中的parent process中有提到456，大意是：

Linux内核的process与POSIX threads差异极其小，对于每个进程/线程来说都有两种类型的parent process，分别为real_parent与parent。Real_parent仅仅是使用clone创建子进程/线程的的进程，对创建出来的进程/线程并没有控制权，而parent进程才是在子进程/线程中止的时候接收SIGCHLD的进程。通常情况下，他们的值是相同的；但对于POSIX threads来说，他们的值可能会有差异。

Internal

getpid & gettid & getpgrp & getpgid & getsid

在linux v4.12的include/linux/pid.h中定义了五种与进程/线程有关的id类型：

enum pid_type
{
    PIDTYPE_PID,   // pid
    PIDTYPE_PGID,  // pgid
    PIDTYPE_SID,   // sid
    PIDTYPE_MAX,
    /* only valid to __task_pid_nr_ns() */
    __PIDTYPE_TGID // tgid
};

实际上，与进程有关的各类id都是group_leader的id，与线程有关的tid才是线程所属进程的pid。至于__PIDTYPE_TGID，它有着如下做法：

if (type != PIDTYPE_PID) {
    if (type == __PIDTYPE_TGID)
        type = PIDTYPE_PID;
    task = task->group_leader;
}

因此，源码中有了以下的注释（thread group id即process group leader pid）

/*
  * sys_getpid - return the thread group id of the current process
  * 
  * Note, despite the name, this returns the tgid not the pid.  The tgid and
  * the pid are identical unless CLONE_THREAD was specified on clone() in
  * which case the tgid is the same in all threads of the same group.
  */
SYSCALL_DEFINE0(getpid)
...

/* Thread ID - the internal kernel "pid" */
SYSCALL_DEFINE0(gettid)
...

下图展示了一个进程fork一次、每个进程再pthread_create两次的大致关系8：

setsid

setsid的实现中，有这么一行代码：

proc_clear_tty(group_leader);

它的作用使脱离终端。《那些永不消逝的进程》7一文对此有相应的解释，梗概如下：

忽略SIGHUP信号的子进程不会因父进程的退出而退出，这是通过nohup运行的子程序可以在后台保持运行、不随终端退出而中止的原理。但是，为什么忽略了SIGHUP信号的子进程就不会随着父进程的结束而消逝？在什么样的场景下，一个进程会收到SIGHUP信号呢？这与Linux系统中描述进程关系的两个术语进程组（process group）和会话（session）有关。

在早期Unix的设计中，每当有一个终端（terminal）通过某一tty来访问服务器，一个包含login shell进程的进程组就会被建立起来，所有在该shell中被建立的进程都会自动隶属于同一进程组之下，同时该tty也会被设置成该进程组下所有进程共有的终端控制器（controlling terminal）。但是，进程组对控制终端缺乏有效的管理手段、所有进程无差别地共享控制终端等的设计带来了许多弊端。因此作业控制（job control）的概念被提了出来，会话的设计也被引入，简单地说：新的设计将控制终端（tty或pty）的访问和控制完全置于了会话的管理之下。

SIGHUP是当终端连接中断或关闭时，直接或间接地被发送给会话中的所有进程组，一般进程对于该信号的默认处理方式也同样是终结自己。但是，nohup通过屏蔽SIGHUP的方式来实现守护进程并不理想，会出现缺少控制终端（SIGHUP不再起作用）、守护进程的工作目录无法umount等一系列问题。

Glibc把实现守护进程所需的工作封装到了daemon函数中，通过fork创建出的子进程执行setsid、同时父进程退出来实现，并且执行setsid成功的进程不仅成为新的会话组长和新的进程组长，还不会关联任何终端。

TODD：Question —— 为什么当前进程为process group leader的时候要使调用失败？

if (pid_task(sid, PIDTYPE_PGID))
    goto out;

References

• LWN.net: PID namespaces in the 2.6.24 kernel
• Linux Programmer’s Manual: pid_namespaces
• Professional Linux Kernel Architecture - Linux
• Wikipedia: Parent process
• trace 30個基本Linux系統呼叫第九日：getpid與getppid
• A Sneak-Peek into Linux Kernel - Chapter 2: Process Creation
• IBM developerWorks：那些永不消逝的进程
• cnblogs: Linux 内核进程管理之进程ID
• CSDN: Linux中的进程关系详解
• CSDN: Linux内核原理-pid namespace
• LWN.net: Namespaces in operation, part 3: PID namespaces
• CSDN: linux内核PID管理