linux命名空间(namespace)学习（四）

朱雀 2022-04-06 13:01 317阅读 0赞

## Linux的PID命名空间的学习 ##

上一篇博客更新了linux的PID命名空间的数据结构，本节讲一下关于PID命名空间的相关操作的函数。会先从需求开始讲起来，慢慢串联成一个线。  
回想一下，我们在应用空间中获取到的是一个PID号来管理操作系统的所有PID，但是内核是使用task\_struct来管理我们的PID的。现在提出来第一个问题：通过一个PID号怎么索引到task\_struct结构的？  
再回想一下我们在多进程编程的时候，如果设置多个进程共享同一信号的，如果信号发生在某一共享线程，那么信号需要找到共享这个信号的所有进程所在的组并且发送信号给其他组。这就提出来两个问题：在PID管理中怎么根据一个进程找到所属组的所有进程？内核怎么找到线程的组ID？  
另外一种情况是：我们知道，再父命名空间中是可以看到子命名空间的起的进程以及进程号的，父命名空间是如何看到子命名空间的进程的？  
最后我们想一下：再启动新进程的时候，是怎么申请新的PID号的？  
下面通过回答以上四个问题，我们对于PID命名空间以及PID的申请管理有一个大概的认知。

### 通过一个PID号怎么索引到task\_struct结构？ ###

假设在没有一个命名空间的内核中可以通过pid\_hash索引到一个struct pid结构的，再通过struct pid结构我们可以索引到struct task\_struct结构。  
如果再一个有命名空间的内核中这个应该怎么去处理呢？我们知道命名空间的地址和PID结合可以唯一的表示一个PID。那么我们可以利用这个特性来进行索引：我们通过一个命名空间的地址和PID相加之和来索引一个唯一的pid结构。函数如下：

struct pid *find_vpid(int nr)
    { 
            return find_pid_ns(nr, current->nsproxy->pid_ns);
    }
    struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
    { 
            struct hlist_node *elem;
            struct upid *pnr;
    
            hlist_for_each_entry_rcu(pnr, elem,
                            &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
                    if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
                            return container_of(pnr, struct pid,
                                            numbers[ns->level]);
    
            return NULL;
    }

以上函数的大体流程如下：通过获取当前进程的pid\_namespace来查找要查找的PID号的（为什么要查找当前进程的pid\_namespace?这是因为只有对于当前命名空间可见的进程号才是可以查找的，换句话来说是可以hash,在本命名空间中才是可见的）通过find\_pid\_ns函数来查找pid结构。  
find\_pid\_ns大致的流程：通过遍历pid\_hash\[\]中的某一个元素来查找相应的struct upid结构，然后根据命名空间中level使用container\_of找到相应的struct pid 结构的。  
如下代码所示：

struct task_struct *pid_task(struct pid *pid, enum pid_type type)
    { 
            struct task_struct *result = NULL;
            if (pid) {  
                    struct hlist_node *first;
                    first = rcu_dereference_check(hlist_first_rcu(&pid->tasks[type]),
                                                  rcu_read_lock_held() ||
                                                  lockdep_tasklist_lock_is_held());
                    if (first)
                            result = hlist_entry(first, struct task_struct, pids[(type)].node);
            }
            return result;
    }

以上函数是一个比较好的接口，通过PID\_TYPE来索引相应的task\_struct结构。  
以下函数则是已知task\_struct 来查找相应的struct pid结构：

static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)
    {
            return task->pids[PIDTYPE_PID].pid;
    }

## 在PID管理中怎么根据一个进程找到所属组的所有进程？内核怎么找到线程的组ID？ ##

根据PID查找task\_struct结构上述有介绍，不再赘述。  
这两个问题大体本质是一个问题，我们知道所有组的task\_struct都指向一个组ID对应的task\_struct我们可以根据这个来查找，也就是如下task\_struct->group\_leader，这个group\_leader成员也是一个task\_struct \* 结构，指向组ID对应的task\_struct结构，然后根据这个来查找组ID和查找所有的进程。  
内核查找线程组pid结构，进程组PID结构，组PID结构代码：

static inline struct pid *task_tgid(struct task_struct *task)
    {                  
            return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PID].pid;
    }
    
    /*
     * Without tasklist or rcu lock it is not safe to dereference
     * the result of task_pgrp/task_session even if task == current,
     * we can race with another thread doing sys_setsid/sys_setpgid.
     */
    static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)
    {
            return task->group_leader->pids[PIDTYPE_PGID].pid;
    }
    
    static inline struct pid *task_session(struct task_struct *task)
    {
            return task->group_leader->pids[PIDTYPE_SID].pid;
    }

## 父命名空间是如何看到子命名空间进程的？ ##

在父命名空间是如何看到子命名空间进程的，这个与进程存储有关：我们在本博客一开始就讨论了可以通过namespace + pid号来索引所有的进程，这个就是我们索引的，我们可以遍历所有的namespace + pid号来进行查找。下面的关于如何申请PID有涉及对于PID的存储操作。

## 内核是如何申请PID进行存储的？ ##

内核申请PID是和命名空间有关的，在上一篇博客中我们说过内核中的命名空间中存储pid\_map表，这里面每一位都代表一个可用的pid号。只不过我们没有说明在某一命名空间申请pid号过程中，需要对此命名空间的所有父命名空间进行申请pid号操作的，在命名空间申请pid号的次数是根据namespace->level决定的。另外namespace->level决定的则是struct pid结构大小。

内核向命名空间申请PID号如下：

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
    { 
            struct pid *pid;
            enum pid_type type;
            int i, nr;
            struct pid_namespace *tmp;
            struct upid *upid;
            申请pid内存，根据namespace的pid_cacep申请；                                 
            pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);
            if (!pid)       
                    goto out;
            给所有的命名空间申请pid号
            tmp = ns;
            for (i = ns->level; i >= 0; i--) { 
                    nr = alloc_pidmap(tmp);
                    if (nr < 0)
                            goto out_free;
    		把struct upid.nr赋予申请的pid号；
                    pid->numbers[i].nr = nr;
                    命名空间指向；
                    pid->numbers[i].ns = tmp;
                    tmp = tmp->parent;
            }
     
            get_pid_ns(ns);
            pid->level = ns->level;
            atomic_set(&pid->count, 1);
            初始化pid->tasks结构
            for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
                    INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);
    
            upid = pid->numbers + ns->level;
            spin_lock_irq(&pidmap_lock);
            把命名空间 + pid号的hash值增加到pid_hash表中
            for ( ; upid >= pid->numbers; --upid)
                    hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
                                    &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);
            spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
    
    out:
            return pid;
    
    out_free:
            while (++i <= ns->level)
                    free_pidmap(pid->numbers + i);
    
            kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
            pid = NULL;
            goto out;
    }