Linux中进程创建和缓存对象初始化fork_init、proc_caches_init和buffer_init
初始化进程创建 fork_init
void __init fork_init(unsigned long mempages)
{
#ifndef __HAVE_ARCH_TASK_STRUCT_ALLOCATOR
#ifndef ARCH_MIN_TASKALIGN
#define ARCH_MIN_TASKALIGN L1_CACHE_BYTES
#endif/* create a slab on which task_structs can be allocated */task_struct_cachep =kmem_cache_create("task_struct", sizeof(struct task_struct),ARCH_MIN_TASKALIGN, SLAB_PANIC, NULL, NULL);
#endif/** The default maximum number of threads is set to a safe* value: the thread structures can take up at most half* of memory.*/max_threads = mempages / (8 * THREAD_SIZE / PAGE_SIZE);/** we need to allow at least 20 threads to boot a system*/if(max_threads < 20)max_threads = 20;init_task.signal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur = max_threads/2;init_task.signal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_max = max_threads/2;
}
函数功能概述
fork_init 函数用于初始化进程创建（fork）相关的子系统，包括任务结构缓存池的创建和线程数量限制的设置
代码详细解释
第一部分：任务结构缓存池初始化
#ifndef __HAVE_ARCH_TASK_STRUCT_ALLOCATOR
#ifndef ARCH_MIN_TASKALIGN
#define ARCH_MIN_TASKALIGN L1_CACHE_BYTES
#endif
- 条件编译检查：如果没有定义架构特定的任务结构分配器（
__HAVE_ARCH_TASK_STRUCT_ALLOCATOR），则使用默认的 slab 分配器 - 对齐设置：如果没有定义架构最小任务对齐（
ARCH_MIN_TASKALIGN），则默认使用 L1 缓存行大小作为对齐值，这有利于缓存性能
task_struct_cachep =kmem_cache_create("task_struct", sizeof(struct task_struct),ARCH_MIN_TASKALIGN, SLAB_PANIC, NULL, NULL);
#endif
- 创建 slab 缓存：使用
kmem_cache_create创建一个专门用于分配task_struct的 slab 缓存池 - 参数说明：
"task_struct"：缓存名称sizeof(struct task_struct)：每个对象的大小ARCH_MIN_TASKALIGN：对齐要求SLAB_PANIC：标志位，表示如果创建失败则系统崩溃NULL, NULL：构造函数和析构函数（这里不需要）
第二部分：最大线程数计算
max_threads = mempages / (8 * THREAD_SIZE / PAGE_SIZE);
- 计算最大线程数：基于系统内存页数计算最大允许的线程数量
- 计算公式：
mempages / (8 * THREAD_SIZE / PAGE_SIZE)THREAD_SIZE是每个线程内核栈的大小PAGE_SIZE是页面大小8 * THREAD_SIZE / PAGE_SIZE计算每个线程需要的内存页数- 8 是经验值，确保其他结构有内存预留
if(max_threads < 20)max_threads = 20;
- 最小线程数保障：确保系统至少有 20 个线程的容量，这是系统启动所需的最小线程数
第三部分：进程数资源限制设置
init_task.signal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur = max_threads/2;init_task.signal->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_max = max_threads/2;
- 设置进程数限制：为初始进程（
init_task）设置 RLIMIT_NPROC 资源限制 - 限制值：当前值（
rlim_cur）和最大值（rlim_max）都设置为最大线程数的一半 - RLIMIT_NPROC：限制每个用户能够创建的进程数量
函数功能总结
- 任务结构缓存初始化：为
task_struct创建专用的内存缓存池，提高进程创建时的内存分配效率 - 线程数量限制计算：根据系统内存大小动态计算最大线程数，确保系统稳定性
- 资源限制设置：设置每个用户能够创建的进程数上限，防止资源耗尽
初始化进程管理相关的各种内核缓存proc_caches_init
void __init proc_caches_init(void)
{sighand_cachep = kmem_cache_create("sighand_cache",sizeof(struct sighand_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);signal_cachep = kmem_cache_create("signal_cache",sizeof(struct signal_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);files_cachep = kmem_cache_create("files_cache",sizeof(struct files_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);fs_cachep = kmem_cache_create("fs_cache",sizeof(struct fs_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);vm_area_cachep = kmem_cache_create("vm_area_struct",sizeof(struct vm_area_struct), 0,SLAB_PANIC, NULL, NULL);mm_cachep = kmem_cache_create("mm_struct",sizeof(struct mm_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
}
函数功能概述
proc_caches_init 函数用于初始化进程管理相关的各种内核缓存（slab cache），这些缓存用于高效分配进程相关的数据结构
代码详细解释
第一部分：信号处理相关缓存初始化
sighand_cachep = kmem_cache_create("sighand_cache",sizeof(struct sighand_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 信号处理结构缓存：创建用于分配
sighand_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
sighand_struct管理进程的信号处理程序（信号处理器函数指针数组） - 标志：
SLAB_HWCACHE_ALIGN确保缓存行对齐，提高缓存性能 - 大小：
sizeof(struct sighand_struct)根据架构不同通常为几百字节
signal_cachep = kmem_cache_create("signal_cache",sizeof(struct signal_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 信号状态结构缓存：创建用于分配
signal_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
signal_struct包含进程的信号状态信息（待处理信号、信号阻塞掩码等） - 与
sighand_struct的区别：sighand_struct：信号处理行为（怎么做）signal_struct：信号状态信息（有什么信号）
第二部分：文件系统相关缓存初始化
files_cachep = kmem_cache_create("files_cache",sizeof(struct files_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 文件描述符表缓存：创建用于分配
files_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
files_struct管理进程打开的文件描述符表 - 重要性：每个进程都有独立的文件描述符表，频繁创建和销毁
fs_cachep = kmem_cache_create("fs_cache",sizeof(struct fs_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 文件系统状态缓存：创建用于分配
fs_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
fs_struct包含进程的文件系统相关信息（根目录、当前工作目录等）
第三部分：内存管理相关缓存初始化
vm_area_cachep = kmem_cache_create("vm_area_struct",sizeof(struct vm_area_struct), 0,SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 虚拟内存区域缓存：创建用于分配
vm_area_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
vm_area_struct描述进程地址空间的一个虚拟内存区域 - 特点：没有使用
SLAB_HWCACHE_ALIGN，因为 VMA 访问模式对缓存不敏感 - 使用频率：非常高频，进程可能有数十到数百个 VMA
mm_cachep = kmem_cache_create("mm_struct",sizeof(struct mm_struct), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
- 内存描述符缓存：创建用于分配
mm_struct的 slab 缓存 - 数据结构：
mm_struct是进程内存管理的核心结构，包含所有内存区域信息 - 重要性：每个进程都有一个 mm_struct（内核线程除外）
关键参数说明
SLAB 标志位
- SLAB_HWCACHE_ALIGN：确保对象在缓存行边界对齐，减少伪共享
- SLAB_PANIC：如果缓存创建失败，直接内核崩溃（因为这些缓存是系统运行必需的）
初始化缓冲区头buffer_init
void __init buffer_init(void)
{int nrpages;bh_cachep = kmem_cache_create("buffer_head",sizeof(struct buffer_head), 0,SLAB_PANIC, init_buffer_head, NULL);/** Limit the bh occupancy to 10% of ZONE_NORMAL*/nrpages = (nr_free_buffer_pages() * 10) / 100;max_buffer_heads = nrpages * (PAGE_SIZE / sizeof(struct buffer_head));hotcpu_notifier(buffer_cpu_notify, 0);
}
函数功能概述
buffer_init 函数用于初始化缓冲区头（buffer_head）缓存系统，这是 Linux 块设备 I/O 子系统的重要组成部分，用于管理页缓存和块设备之间的数据传递
代码详细解释
第一部分：缓冲区头缓存创建
bh_cachep = kmem_cache_create("buffer_head",sizeof(struct buffer_head), 0,SLAB_PANIC, init_buffer_head, NULL);
- 缓存名称：
"buffer_head"- 明确标识这是缓冲区头对象的缓存 - 对象大小：
sizeof(struct buffer_head) - 对齐参数：
0- 使用默认对齐方式 - 标志：
SLAB_PANIC- 如果创建失败则系统崩溃，因为这是关键基础设施 - 构造函数：
init_buffer_head- 重要的初始化函数（后面详细解释） - 析构函数：
NULL- 不需要特殊的析构处理
第二部分：缓冲区头数量限制计算
/** Limit the bh occupancy to 10% of ZONE_NORMAL*/nrpages = (nr_free_buffer_pages() * 10) / 100;max_buffer_heads = nrpages * (PAGE_SIZE / sizeof(struct buffer_head));
- 限制缓冲区头占用 ZONE_NORMAL 区域的 10%
- ZONE_NORMAL 是内核直接映射的物理内存区域
计算过程：
-
nr_free_buffer_pages()- 获取可用的缓冲区页数- 这个函数返回 ZONE_NORMAL 中可用于缓冲区缓存的内存页数
-
(nr_free_buffer_pages() * 10) / 100- 计算 10% 的可用页数- 这是系统为缓冲区头分配预留的内存页数上限
-
PAGE_SIZE / sizeof(struct buffer_head)- 计算每页可以存放的缓冲区头数量 -
max_buffer_heads = nrpages * (PAGE_SIZE / sizeof(struct buffer_head))- 最终计算出系统允许的最大缓冲区头数量
第三部分：CPU热插拔通知器注册
hotcpu_notifier(buffer_cpu_notify, 0);
hotcpu_notifier- 注册一个CPU热插拔通知回调函数buffer_cpu_notify- 当CPU状态变化时被调用的函数- 优先级：
0- 标准优先级
创建新的 buffer_head 对象时进行初始化init_buffer_head
static void
init_buffer_head(void *data, kmem_cache_t *cachep, unsigned long flags)
{if ((flags & (SLAB_CTOR_VERIFY|SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR)) ==SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR) {struct buffer_head * bh = (struct buffer_head *)data;memset(bh, 0, sizeof(*bh));INIT_LIST_HEAD(&bh->b_assoc_buffers);}
}
函数功能概述
init_buffer_head 是 buffer_head 对象的 slab 构造函数，用于在 slab 分配器创建新的 buffer_head 对象时进行初始化
代码详细解释
第一部分：函数签名和参数
static void
init_buffer_head(void *data, kmem_cache_t *cachep, unsigned long flags)
- static：函数只在当前文件内可见
- void：没有返回值
- 参数说明：
void *data：指向要初始化的 slab 对象的指针（这里是 buffer_head）kmem_cache_t *cachep：指向所属 slab 缓存的指针unsigned long flags：构造标志位，控制初始化行为
第二部分：条件检查
if ((flags & (SLAB_CTOR_VERIFY|SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR)) ==SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR) {
- 位掩码操作：
flags & (SLAB_CTOR_VERIFY|SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR)SLAB_CTOR_VERIFY：验证模式标志SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR：构造函数模式标志
- 条件判断：检查是否处于纯构造函数模式（不是验证模式）
- 为什么需要这个检查：
- slab 分配器可能在多种场景下调用这个函数
- 只有在真正创建新对象时才需要初始化
- 验证模式只需要检查对象状态，不需要重新初始化
第三部分：类型转换和内存清零
struct buffer_head * bh = (struct buffer_head *)data;memset(bh, 0, sizeof(*bh));
-
类型转换：
(struct buffer_head *)data- 将泛型 void 指针转换为具体的 buffer_head 指针
- 这样可以直接访问 buffer_head 的各个字段
-
内存清零：
memset(bh, 0, sizeof(*bh))- 将整个 buffer_head 结构体所有字节设置为 0
sizeof(*bh)获取 buffer_head 的实际大小- 优点：一次性清除所有字段，包括未来可能新增的字段
第四部分：链表初始化
INIT_LIST_HEAD(&bh->b_assoc_buffers);}
INIT_LIST_HEAD：Linux 内核的链表初始化宏b_assoc_buffers：buffer_head 的关联缓冲区链表- 链表作用：用于将相关的 buffer_head 连接在一起
CPU 热插拔时缓冲区头的清理机制buffer_cpu_notify
static int buffer_cpu_notify(struct notifier_block *self,unsigned long action, void *hcpu)
{if (action == CPU_DEAD)buffer_exit_cpu((unsigned long)hcpu);return NOTIFY_OK;
}
static void buffer_exit_cpu(int cpu)
{int i;struct bh_lru *b = &per_cpu(bh_lrus, cpu);for (i = 0; i < BH_LRU_SIZE; i++) {brelse(b->bhs[i]);b->bhs[i] = NULL;}
}
static inline void brelse(struct buffer_head *bh)
{if (bh)__brelse(bh);
}
void __brelse(struct buffer_head * buf)
{if (atomic_read(&buf->b_count)) {put_bh(buf);return;}printk(KERN_ERR "VFS: brelse: Trying to free free buffer\n");WARN_ON(1);
}
static inline void put_bh(struct buffer_head *bh)
{smp_mb__before_atomic_dec();atomic_dec(&bh->b_count);
}整体功能概述
这些函数组成了 CPU 热插拔时缓冲区头（buffer_head）的清理机制，确保当 CPU 离线时，该 CPU 的缓冲区缓存被正确清理
代码详细解释
第一部分：CPU 通知器回调函数
static int buffer_cpu_notify(struct notifier_block *self,unsigned long action, void *hcpu)
{if (action == CPU_DEAD)buffer_exit_cpu((unsigned long)hcpu);return NOTIFY_OK;
}
-
参数说明：
self：指向通知器块本身的指针action：CPU 状态变化动作（CPU_UP_PREPARE, CPU_STARTING, CPU_DEAD 等）hcpu：受影响的 CPU 编号（void* 类型，需要转换）
-
条件判断：
if (action == CPU_DEAD)- 只在 CPU 离线时执行清理操作
- 其他状态（如 CPU 上线）不需要特殊处理
-
函数调用：
buffer_exit_cpu((unsigned long)hcpu)- 将
hcpu从 void* 转换为 unsigned long（CPU 编号） - 调用具体的清理函数
- 将
-
返回值：
return NOTIFY_OK;- 表示这个通知已处理完成
- 允许其他通知器继续处理同一事件
第二部分：CPU 缓冲区清理函数
static void buffer_exit_cpu(int cpu)
{int i;struct bh_lru *b = &per_cpu(bh_lrus, cpu);for (i = 0; i < BH_LRU_SIZE; i++) {brelse(b->bhs[i]);b->bhs[i] = NULL;}
}
-
参数：
int cpu- 要清理的 CPU 编号 -
局部变量：
int i：循环计数器struct bh_lru *b：指向该 CPU 的缓冲区 LRU 缓存
-
per_cpu变量：&per_cpu(bh_lrus, cpu)bh_lrus是 per-CPU 变量，每个 CPU 有自己的缓冲区 LRU 缓存- 获取指定 CPU 的
bh_lru结构指针
-
循环清理：
for (i = 0; i < BH_LRU_SIZE; i++)BH_LRU_SIZE通常是 4 或 8，定义每个 CPU 缓存的缓冲区数量- 遍历 LRU 数组中的所有缓冲区
-
清理操作：
brelse(b->bhs[i])：释放缓冲区引用b->bhs[i] = NULL：将槽位置空，防止悬空指针
第三部分：缓冲区释放函数链
static inline void brelse(struct buffer_head *bh)
{if (bh)__brelse(bh);
}
- static inline：内联函数，减少函数调用开销
- 空指针检查：
if (bh)- 确保不会对空指针进行操作
- 实际调用：
__brelse(bh)- 调用实际的释放函数
第四部分：缓冲区释放核心逻辑
void __brelse(struct buffer_head * buf)
{if (atomic_read(&buf->b_count)) {put_bh(buf);return;}printk(KERN_ERR "VFS: brelse: Trying to free free buffer\n");WARN_ON(1);
}
-
引用计数检查：
if (atomic_read(&buf->b_count))b_count是缓冲区的引用计数atomic_read原子性地读取计数值- 如果计数 > 0，说明缓冲区正在被使用
-
正常释放路径：
put_bh(buf)：减少引用计数return：正常返回
-
错误检测：
- 如果引用计数已经是 0，说明重复释放
printk(KERN_ERR ...)：输出错误日志到内核日志WARN_ON(1)：触发内核警告，可能生成堆栈跟踪
第五部分：原子引用计数减少
static inline void put_bh(struct buffer_head *bh)
{smp_mb__before_atomic_dec();atomic_dec(&bh->b_count);
}
-
内存屏障：
smp_mb__before_atomic_dec()- 在多核系统中确保内存操作的顺序性
- 防止指令重排序导致的数据不一致
-
原子操作：
atomic_dec(&bh->b_count)- 原子性地将引用计数减 1