Linux 休眠时内核线程冻结机制说明

一、冻结流程概述

Linux休眠时的冻结过程分为两个阶段：

阶段1：冻结用户空间进程

• 调用：freeze_processes()
• 设置：pm_freezing = true
• 调用：try_to_freeze_tasks(true) - user_only=true
• 目标：只冻结用户空间进程（非内核线程）

阶段2：冻结内核线程

• 调用：freeze_kernel_threads()
• 设置：pm_nosig_freezing = true
• 调用：try_to_freeze_tasks(false) - user_only=false
• 目标：冻结可冻结的内核线程

二、代码实现分析

2.1 冻结判断逻辑

在 kernel/freezer.c 的 freezing_slow_path() 函数中：

bool freezing_slow_path(struct task_struct *p)
{
    if (p->flags & (PF_NOFREEZE | PF_SUSPEND_TASK))
        return false;

    if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p))
        return true;  // 第二阶段：冻结所有任务（包括内核线程）

    if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD))
        return true;  // 第一阶段：只冻结非内核线程

    return false;
}

关键点：

• 第一阶段 （pm_freezing=true）：!(p->flags & PF_KTHREAD) - 只冻结非内核线程
• 第二阶段 （pm_nosig_freezing=true）：会冻结所有任务，包括内核线程

2.2 冻结流程代码

在 kernel/power/power.h 中：

static inline int suspend_freeze_processes(void)
{
    // 第一阶段：冻结用户空间进程
    error = freeze_processes();  // 设置 pm_freezing=true, 调用 try_to_freeze_tasks(true)
    
    if (error)
        return error;
    
    // 第二阶段：冻结内核线程
    error = freeze_kernel_threads();  // 设置 pm_nosig_freezing=true, 调用 try_to_freeze_tasks(false)
    
    if (error) {
        thaw_processes();  // 如果失败，解冻所有进程
    }
    
    return error;
}

2.3 不可冻结任务的判断

在 kernel/power/process.c 的 try_to_freeze_tasks() 函数中：

/* 检查是否不可冻结 */
if (p->flags & PF_NOFREEZE) {
    unfreezable_tasks++;
    // 标记为UNFREEZABLE，跳过，不调用freeze_task
    continue;
}

/* 尝试冻结任务 */
if (!freeze_task(p)) {
    failed_freeze_tasks++;
    // 标记为FAILED_FREEZE
}

三、实际日志分析

从 20251219_12.log 日志中可以看到：

3.1 第一阶段：冻结用户空间进程

[   98.808286] Freezing user space processes ... 
[   98.808292] LLLLLLLL try_to_freeze_tasks: user_only=1, timeout=20000 ms
[   98.810973] LLLLLLLL UNFREEZABLE: kthreadd (pid 2), flags=0x208040, state=1
[   98.811793] LLLLLLLL UNFREEZABLE: rcu_gp (pid 3), flags=0x4208060, state=1026
...

观察：

• user_only=1 - 只冻结用户空间进程
• 但是仍然会遍历所有任务，包括内核线程
• 内核线程会被标记为UNFREEZABLE（如果有PF_NOFREEZE标志）或跳过

3.2 第二阶段：冻结内核线程

重要发现 ：从日志中可以看到，第一阶段就失败了，所以没有进入第二阶段：

[  119.065869] freeze_processes: failed to freeze tasks, error -16
[  119.066756] freeze_processes: failed with error -16, thawing processes
[  119.177013] PM: SUSPEND_DEBUG: suspend_prepare: freeze failed, error=-16
[  119.177018] PM: SUSPEND_DEBUG: suspend_prepare: FORCE SUSPEND enabled, ignoring freeze failure

实际情况：

• 第一阶段（freeze_processes()）超时失败（error -16 = EBUSY）
• 系统启用了FORCE SUSPEND模式，即使冻结失败也继续挂起
• 因此没有进入第二阶段 （freeze_kernel_threads()）
• 这意味着内核线程没有被冻结

这解释了为什么：

• 只有3个任务被成功冻结（都是用户空间进程）
• 24个任务拒绝冻结（包括kswapd0和jbd2线程）
• 95个任务被标记为UNFREEZABLE（有PF_NOFREEZE标志的内核线程）

四、关键问题回答

Q: 在休眠唤醒时，内核的这些task也会冻结吗？

A: 是的，但分两个阶段，且有例外

详细说明：

1. 第一阶段 - 只冻结用户空间进程：

   • 设置 pm_freezing = true
   • 调用 try_to_freeze_tasks(true) - user_only=true
   • 在 freezing_slow_path() 中：if (pm_freezing && !(p->flags & PF_KTHREAD))
   • 只冻结非内核线程（用户空间进程）

2. 第二阶段 - 冻结可冻结的内核线程：

   • 设置 pm_nosig_freezing = true
   • 调用 try_to_freeze_tasks(false) - user_only=false
   • 在 freezing_slow_path() 中：if (pm_nosig_freezing || cgroup_freezing(p))
   • 会冻结所有任务，包括内核线程

3. 例外 - 不可冻结的内核线程：

   • 有 PF_NOFREEZE 标志的内核线程不会被冻结
   • 在 try_to_freeze_tasks() 中会被跳过
   • 这就是为什么我们看到95个UNFREEZABLE任务

总结：

• ✅ 用户空间进程：第一阶段被冻结
• ✅ 可冻结的内核线程（没有PF_NOFREEZE标志）：第二阶段被冻结
• ❌ 不可冻结的内核线程（有PF_NOFREEZE标志）：不会被冻结

五、为什么内核线程要分两个阶段冻结？

5.1 设计原因

1. 用户空间进程优先：

   • 用户空间进程可能正在执行关键操作
   • 需要先确保用户空间进程停止，避免数据不一致

2. 内核线程可能依赖用户空间：

   • 某些内核线程可能正在处理来自用户空间的请求
   • 先冻结用户空间，可以避免内核线程处理到一半被冻结

3. 错误处理：

   • 如果第一阶段失败，只需要解冻用户空间进程
   • 如果第二阶段失败，需要解冻所有进程

5.2 实际好处

• 更清晰的错误处理：可以区分是用户空间还是内核线程冻结失败
• 更好的调试：可以分别查看两个阶段的日志
• 更灵活的控制：某些场景可能只需要冻结用户空间进程

六、不可冻结的内核线程

6.1 为什么有些内核线程不可冻结？

原因：

1. 系统核心功能：如kthreadd、RCU相关线程，如果被冻结会导致系统死锁
2. 硬件交互：如中断处理线程，必须及时响应硬件中断
3. 数据一致性：某些线程正在执行关键操作，不能中途停止

6.2 如何判断内核线程是否可冻结？

判断标准：

• 有 PF_NOFREEZE 标志 → 不可冻结（UNFREEZABLE）
• 没有 PF_NOFREEZE 标志 → 可冻结（但可能冻结失败）

从日志中可以看到：

• 95个UNFREEZABLE任务：都有 PF_NOFREEZE 标志
• 6个FAILED_FREEZE任务：没有 PF_NOFREEZE 标志，但冻结失败

七、总结

7.1 冻结流程

suspend_freeze_processes()
  ↓
freeze_processes()  [第一阶段]
  ├─ 设置 pm_freezing = true
  ├─ 调用 try_to_freeze_tasks(true)
  └─ 只冻结用户空间进程（!(p->flags & PF_KTHREAD)）
  ↓
freeze_kernel_threads()  [第二阶段]
  ├─ 设置 pm_nosig_freezing = true
  ├─ 调用 try_to_freeze_tasks(false)
  └─ 冻结可冻结的内核线程（没有PF_NOFREEZE标志的）

7.2 任务分类

任务类型	第一阶段	第二阶段	最终状态
用户空间进程	✅ 冻结	-	已冻结
可冻结的内核线程（无PF_NOFREEZE）	❌ 跳过	✅ 冻结	已冻结
不可冻结的内核线程（有PF_NOFREEZE）	❌ 跳过	❌ 跳过	UNFREEZABLE
冻结失败的内核线程	❌ 跳过	❌ 失败	FAILED_FREEZE

7.3 关键结论

理论上，内核线程也会被冻结，但是：

1. 正常流程：

   • 分两个阶段：先冻结用户空间进程，再冻结内核线程
   • 有例外 ：有 PF_NOFREEZE 标志的内核线程不会被冻结
   • 可能失败：某些内核线程可能无法冻结（如kswapd0、jbd2线程）

2. 实际情况（从日志看）：

   • 第一阶段就失败了 ：freeze_processes() 超时失败（error -16）
   • 没有进入第二阶段 ：因为第一阶段失败，没有调用 freeze_kernel_threads()
   • 强制挂起 ：系统启用了FORCE SUSPEND，即使冻结失败也继续挂起
   • 结果 ：内核线程没有被冻结（除了有PF_NOFREEZE标志的，它们本来就不会被冻结）

3. 这可能是唤醒失败的原因之一：

   • 内核线程（如kswapd0、jbd2）没有被冻结
   • 系统在不完整的状态下进入深度睡眠
   • 唤醒时无法从不一致的状态中恢复

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