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Linux 內(nèi)核線程是 Linux 操作系統(tǒng)的重要組成部分，它們負(fù)責(zé)執(zhí)行一些內(nèi)核級(jí)別的任務(wù)，例如管理系統(tǒng)的進(jìn)程、調(diào)度任務(wù)、處理中斷等。Linux 內(nèi)核線程的啟動(dòng)是運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟之一，本文將為讀者介紹 Linux 內(nèi)核線程啟動(dòng)的基本知識(shí)和步驟。
一、內(nèi)核線程簡介
Linux 內(nèi)核線程是一種在操作系統(tǒng)內(nèi)核中運(yùn)行的進(jìn)程，它們不屬于用戶空間進(jìn)程，也沒有用戶空間環(huán)境。與用戶進(jìn)程不同，內(nèi)核線程在調(diào)度和執(zhí)行上更加高效，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化和需求。內(nèi)核線程的訪問權(quán)限和系統(tǒng)資源分配權(quán)重也略有不同，常常用來執(zhí)行內(nèi)核級(jí)別的任務(wù)。
內(nèi)核線程的啟動(dòng)一般不需要用戶干預(yù)，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建并初始化一些內(nèi)核線程。同時(shí)，用戶可以通過編寫內(nèi)核模塊來創(chuàng)建新的內(nèi)核線程，以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和性能。
二、內(nèi)核線程的創(chuàng)建
內(nèi)核線程的創(chuàng)建一般是通過特定的函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。Linux 內(nèi)核提供的內(nèi)核線程創(chuàng)建函數(shù)是 kthread_create()，其原型如下：
struct task_struct* kthread_create(int (*threadfn)(void *data),
void *data,
const char namefmt[],
…);
kthread_create()函數(shù)有4個(gè)參數(shù)，分別是指向線程函數(shù)的指針 threadfn，傳遞給線程函數(shù)的數(shù)據(jù)指針 data，線程的名稱格式字符串 namefmt 和可變參數(shù) ellipsis。其中，threadfn 是線程函數(shù)的指針，其返回值必須是 int 類型；data 是傳遞給線程函數(shù)的數(shù)據(jù)指針，可以是任何類型的指針；namefmt 是格式化字符串，可以指定線程的名稱，例如 “mythread-%d”。可變參數(shù) ellipsis 用于接受一些格式化字符串的占位符，例如 %d、%s 等等。
在 kthread_create() 函數(shù)內(nèi)部，會(huì)調(diào)用 do_fork() 函數(shù)創(chuàng)建新的內(nèi)核線程。do_fork() 函數(shù)是 Linux 內(nèi)核的進(jìn)程復(fù)制函數(shù)，它可以將當(dāng)前進(jìn)程或進(jìn)程組復(fù)制出新進(jìn)程或新進(jìn)程組。do_fork() 函數(shù)返回的是新創(chuàng)建進(jìn)程的 task_struct 指針，這個(gè)指針可以被 kthread_create() 函數(shù)返回，用于外部訪問和管理內(nèi)核線程。
三、內(nèi)核線程的運(yùn)行和銷毀
內(nèi)核線程創(chuàng)建完成后，就可以通過調(diào)用 wake_up_process() 函數(shù)啟動(dòng)它。wake_up_process() 函數(shù)是 Linux 內(nèi)核中用于啟動(dòng)進(jìn)程的函數(shù)，它將一個(gè)進(jìn)程設(shè)置為“可運(yùn)行”狀態(tài)，使之進(jìn)入進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列，等待調(diào)度器分配執(zhí)行時(shí)間片。wake_up_process() 函數(shù)的原型如下：
void wake_up_process(struct task_struct *tsk);
其中，tsk 是被啟動(dòng)的進(jìn)程的 task_struct 指針。調(diào)用 wake_up_process() 函數(shù)后，內(nèi)核線程會(huì)開始執(zhí)行自己的線程函數(shù) threadfn，直到線程函數(shù)執(zhí)行完畢或被其他進(jìn)程強(qiáng)制終止為止。
當(dāng)內(nèi)核線程的任務(wù)執(zhí)行完畢后，可以通過調(diào)用 kthread_stop() 函數(shù)來停止它。kthread_stop() 函數(shù)原型如下：
int kthread_stop(struct task_struct *tsk);
其中，tsk 是要終止的內(nèi)核線程的 task_struct 指針。調(diào)用 kthread_stop() 函數(shù)會(huì)發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)給指定的內(nèi)核線程，讓它自行退出。如果內(nèi)核線程正在運(yùn)行一個(gè)無限循環(huán)等死的死循環(huán)，那么這個(gè)線程就不能自己退出，kthread_stop() 函數(shù)就不起作用了。這時(shí)候可以考慮使用另外一種方法終止這個(gè)線程。
四、內(nèi)核線程的終止
除了調(diào)用 kthread_stop() 函數(shù)外，還可以使用內(nèi)核信號(hào)來終止內(nèi)核線程。Linux 內(nèi)核提供了一些特殊的信號(hào)，例如 SIGTERM、SIGKILL、SIGINT、SIGQUIT 等等。這些信號(hào)可以被進(jìn)程或內(nèi)核線程捕獲，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
當(dāng)一個(gè)內(nèi)核線程捕獲到 SIGTERM 信號(hào)時(shí)，它會(huì)首先執(zhí)行用戶指定的信號(hào)處理函數(shù)（如果存在的話），然后退出線程函數(shù)，釋放資源。如果線程捕獲到 SIGKILL 信號(hào)，則會(huì)直接強(qiáng)制退出，不會(huì)執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)。
為了捕獲特定的信號(hào)并進(jìn)行處理，用戶可以使用 sigaction() 函數(shù)注冊信號(hào)處理函數(shù)。sigaction() 函數(shù)的原型如下：
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
其中，signum 表示要注冊的信號(hào)編號(hào)，act 是指向新的信號(hào)處理函數(shù)的指針，oldact 是指向舊的信號(hào)處理函數(shù)的指針。
五、
本文介紹了 Linux 內(nèi)核線程啟動(dòng)的基本知識(shí)和步驟。內(nèi)核線程是 Linux 內(nèi)核的重要組成部分，能夠執(zhí)行一些內(nèi)核級(jí)別的任務(wù)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。內(nèi)核線程的創(chuàng)建、運(yùn)行和銷毀都需要用戶掌握一定的技巧和方法，以確保線程能夠按照用戶的預(yù)期進(jìn)行工作。對(duì)于需要擴(kuò)展 Linux 內(nèi)核功能和性能的用戶來說，了解和掌握 Linux 內(nèi)核線程的啟動(dòng)方法是非常必要和有益的。
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- Linux內(nèi)核中的Linux進(jìn)程是如何創(chuàng)建的?
Linux內(nèi)核中的Linux進(jìn)程是如何創(chuàng)建的?
前三個(gè)和最后一個(gè)是兩個(gè)類型。前三個(gè)主要是Linux用來創(chuàng)建新的進(jìn)程（線程）而設(shè)計(jì)的，exec()系列函數(shù)則是用來用指定的程序替換當(dāng)前進(jìn)程的所有內(nèi)容。所以exec()系列函數(shù)經(jīng)常在前三個(gè)函數(shù)使用之后調(diào)用，來創(chuàng)建一個(gè)全新的程序運(yùn)行環(huán)境。Linux用init進(jìn)程啟動(dòng)其他進(jìn)程的過程一般都是這樣的。
下面說fork、vfork和clone三個(gè)函數(shù)。這三個(gè)函數(shù)分別調(diào)用了sys_fork、sys_vfork、sys_clone，最終都調(diào)用了do_fork函數(shù)，差別在于參數(shù)的傳遞和一些基本的準(zhǔn)備工作不同。可見這三者最終達(dá)到的最本質(zhì)的目的都是創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。在這里需要明確一下，Linux內(nèi)核中沒有獨(dú)立的“線程”結(jié)構(gòu)，Linux的線程就是輕量級(jí)進(jìn)程，換言之基本控制結(jié)構(gòu)和Linux的進(jìn)程是一樣的（都是通過struct task_struct管理）。
fork是最簡單的調(diào)用，不需要任何參數(shù)，僅僅是在創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程并為其創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立于父進(jìn)程的空間。fork使用COW（寫時(shí)拷貝）機(jī)制，并且COW了父進(jìn)程的?？臻g。
vfork是一個(gè)過時(shí)的應(yīng)用，vfork也是創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，但是子進(jìn)程共享父進(jìn)程的空間。在vfork創(chuàng)建子進(jìn)程之后，父進(jìn)程阻塞，直到子進(jìn)程執(zhí)行了exec()或者exit()。vfork最初是因?yàn)閒ork沒有實(shí)現(xiàn)燃滑COW機(jī)制，而很多情況下fork之后會(huì)緊接著exec，而exec的執(zhí)皮陸臘行相當(dāng)于之前fork復(fù)制的空間全部變成了無用功，所以設(shè)計(jì)了vfork。而現(xiàn)在fork使用了COW機(jī)制，唯一的代價(jià)僅僅是復(fù)制父進(jìn)程頁表的代價(jià)，所以vfork不應(yīng)該出現(xiàn)在新的代碼之中。在Linux的manpage中隊(duì)vfork有這樣一段話：It is rather unfortunate that Linux revived this specter from the past. The BSD man page states: “This system call will be eliminated when proper system sharing mechanis are implemented. Users should not depend on the memory sharing semantics of vfork() as it will, in that case, be made synonymous to fork(2).”
clone是Linux為創(chuàng)建線程設(shè)計(jì)的（雖然也可以用clone創(chuàng)建進(jìn)程）。所以可以說clone是fork的升級(jí)版本，不僅可以創(chuàng)建進(jìn)程或者線程，還可以指定創(chuàng)建新的命名空間（namespace）、有選擇的繼承父進(jìn)程的內(nèi)存、甚至可以將創(chuàng)建出來的進(jìn)程變成父進(jìn)程的兄弟進(jìn)程等等。clone和fork的調(diào)用方式也很不悉粗相同，clone調(diào)用需要傳入一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)在子進(jìn)程中執(zhí)行。此外，clone和fork更大不同在于clone不再復(fù)制父進(jìn)程的?？臻g，而是自己創(chuàng)建一個(gè)新的。
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當(dāng)前名稱：Linux 內(nèi)核線程啟動(dòng)指南 (linux 啟動(dòng)內(nèi)核線程)
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