原文：蝸窩科技Linux進程凍結技術

功耗中經常需要用到，但是linux這塊了解甚少，看到這個文章還蠻適合我閱讀的

1 什么是進程凍結

進程凍結技術（freezing of tasks）是指在系統hibernate或者suspend的時候，將用戶進程和部分內核線程置于“可控”的暫停狀態。

2 為什么需要凍結技術

假設沒有凍結技術，進程可以在任意可調度的點暫停，而且直到cpu_down才會暫停并遷移。這會給系統帶來很多問題：

(1)有可能破壞文件系統。在系統創建hibernate image到cpu down之間，如果有進程還在修改文件系統的內容，這將會導致系統恢復之后無法完全恢復文件系統；

(2)有可能導致創建hibernation image失敗。創建hibernation image需要足夠的內存空間，但是在這期間如果還有進程在申請內存，就可能導致創建失敗；

(3)有可能干擾設備的suspend和resume。在cpu down之前，device suspend期間，如果進程還在訪問設備，尤其是訪問競爭資源，就有可能引起設備suspend異常；

(4)有可能導致進程感知系統休眠。系統休眠的理想狀態是所有任務對休眠過程無感知，睡醒之后全部自動恢復工作，但是有些進程，比如某個進程需要所有cpu online才能正常工作，如果進程不凍結，那么在休眠過程中將會工作異常。

3 代碼實現框架

凍結的對象是內核中可以被調度執行的實體，包括用戶進程、內核線程和work_queue。用戶進程默認是可以被凍結的，借用信號處理機制實現；內核線程和work_queue默認是不能被凍結的，少數內核線程和work_queue在創建時指定了freezable標志，這些任務需要對freeze狀態進行判斷，當系統進入freezing時，主動暫停運行。

標記系統freeze狀態的有三個重要的全局變量：pm_freezing、system_freezing_cnt和pm_nosig_freezing，如果全為0，表示系統未進入凍結；system_freezing_cnt>0表示系統進入凍結，pm_freezing=true表示凍結用戶進程，pm_nosig_freezing=true表示凍結內核線程和workqueue。它們會在freeze_processes和freeze_kernel_threads中置位，在thaw_processes和thaw_kernel_threads中清零。

fake_signal_wake_up函數巧妙的利用了信號處理機制，只設置任務的TIF_SIGPENDING位，但不傳遞任何信號，然后喚醒任務；這樣任務在返回用戶態時會進入信號處理流程，檢查系統的freeze狀態，并做相應處理。

任務主動調用try_to_freeze的代碼如下：

/**?* @brief 嘗試將當前任務（進程）主動置入凍結狀態（非安全上下文）?* @return bool - true: 凍結成功；false: 未觸發凍結條件?* @note 此函數通常在原子上下文或中斷禁用場景調用，需確保無鎖競爭風險?*/static inline bool try_to_freeze_unsafe(void){? ? // 檢查當前進程是否滿足凍結條件（通過freezing(current)快速判斷）? ? if (likely(!freezing(current)))?? ? ? ? return false; // 系統未啟用凍結或當前進程無需凍結? ? // 調用核心凍結邏輯，參數false表示非強制凍結（允許進程自行處理信號等）? ? return __refrigerator(false);?}/**?* @brief 快速檢查系統全局凍結狀態及當前進程的凍結條件?* @param p - 待檢查的進程描述符（struct task_struct指針）?* @return bool - true: 需要凍結；false: 無需凍結?* @note 通過原子變量system_freezing_cnt優化高頻調用的性能?*/static inline bool freezing(struct task_struct *p){? ? // 原子讀取系統全局凍結計數器，若為0則快速返回（likely優化分支預測）? ? if (likely(!atomic_read(&system_freezing_cnt)))? ? ? ? return false; // 系統未啟用凍結功能? ? // 進入慢速路徑，進一步檢查進程特定的凍結條件? ? return freezing_slow_path(p);}/**?* @brief 慢速路徑檢查進程的詳細凍結條件?* @param p - 待檢查的進程描述符?* @return bool - true: 需凍結；false: 豁免凍結?* @note 此函數處理以下凍結策略：?* ? ? ? 1. PF_NOFREEZE標記的進程（如內核關鍵線程）始終豁免?* ? ? ? 2. 系統級凍結（pm_nosig_freezing）或cgroup凍結策略?* ? ? ? 3. 用戶進程凍結（pm_freezing）且非內核線程?*/bool freezing_slow_path(struct task_struct *p){? ? // 檢查進程是否標記為禁止凍結（如某些關鍵內核線程）? ? if (p->flags & PF_NOFREEZE) ?? ? ? ? return false; // 明確豁免凍結? ? // 檢查系統是否處于"無信號"凍結模式（如休眠時凍結內核線程）? ? // 或進程屬于需凍結的cgroup? ? if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p)) ?? ? ? ? return true; // 強制凍結? ? // 檢查系統是否在凍結用戶進程，且當前進程為用戶進程（非內核線程）? ? if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD))?? ? ? ? return true; // 凍結用戶空間進程? ? return false; // 默認不凍結}

進入凍結狀態直到恢復的主要函數:

bool __refrigerator(bool check_kthr_stop)???????

for (;;) { ?// 無限循環，直到滿足解凍條件? ? /* 1. 設置進程為不可中斷睡眠狀態（D狀態）? ? ?* - TASK_UNINTERRUPTIBLE 確保進程不會被信號喚醒，僅能通過內核主動喚醒? ? ?* - 這種狀態是凍結進程的核心，避免進程在凍結期間被調度執行 */? ? set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);? ? /* 2. 獲取 freezer_lock 自旋鎖并禁用中斷（spin_lock_irq）? ? ?* - 保護對 current->flags 的原子修改，防止競態條件? ? ?* - 禁用中斷避免中斷處理程序并發訪問凍結狀態 */? ? spin_lock_irq(&freezer_lock);? ? /* 3. 標記當前進程為已凍結（PF_FROZEN）? ? ?* - PF_FROZEN 是凍結完成的標志，被 thaw_processes() 等解凍函數檢測? ? ?* - 此處僅設置標志，實際凍結通過后續 schedule() 放棄CPU實現 */? ? current->flags |= PF_FROZEN;? ? /* 4. 檢查是否需要解除凍結：? ? ?* - freezing(current): 系統是否仍要求凍結（如休眠未完成）? ? ?* - kthread_should_stop(): 內核線程是否收到停止信號（如模塊卸載）? ? ?* 若任一條件為真，則清除 PF_FROZEN 標志，準備退出循環 */? ? if (!freezing(current) || (check_kthr_stop && kthread_should_stop()))? ? ? ? current->flags &= ~PF_FROZEN; ?// 清除凍結標志? ? spin_unlock_irq(&freezer_lock); ?// 釋放鎖并恢復中斷? ? /* 5. 檢查是否已解除凍結：? ? ?* - 若 PF_FROZEN 被清除，則跳出循環，恢復執行? ? ?* - 否則繼續進入調度等待 */? ? if (!(current->flags & PF_FROZEN))? ? ? ? break;? ? /* 6. 記錄凍結狀態并主動放棄CPU? ? ?* - was_frozen 用于返回是否曾被凍結（用于統計或調試）? ? ?* - schedule() 觸發進程切換，當前進程進入睡眠隊列，直到被解凍喚醒 */? ? was_frozen = true;? ? schedule(); ?// 調用調度器，進程進入睡眠狀態}

4 參考文獻

(1)http://www.wowotech.net/linux_kenrel/suspend_and_resume.html

(2) http://www.wowotech.net/linux_kenrel/std_str_func.html

(3) kenrel document: freezing-of-tasks.txt