Documentation/power/freezing-of-tasks.txt

   1 Freezing of tasks
   2         (C) 2007 Rafael J. Wysocki <rjw@sisk.pl>, GPL
   3
   4 I. What is the freezing of tasks?
   5
   6 The freezing of tasks is a mechanism by which user space processes and some
   7 kernel threads are controlled during hibernation or system-wide suspend (on some
   8 architectures).
   9
  10 II. How does it work?
  11
  12 There are three per-task flags used for that, PF_NOFREEZE, PF_FROZEN
  13 and PF_FREEZER_SKIP (the last one is auxiliary).  The tasks that have
  14 PF_NOFREEZE unset (all user space processes and some kernel threads) are
  15 regarded as 'freezable' and treated in a special way before the system enters a
  16 suspend state as well as before a hibernation image is created (in what follows
  17 we only consider hibernation, but the description also applies to suspend).
  18
  19 Namely, as the first step of the hibernation procedure the function
  20 freeze_processes() (defined in kernel/power/process.c) is called.  A system-wide
  21 variable system_freezing_cnt (as opposed to a per-task flag) is used to indicate
  22 whether the system is to undergo a freezing operation. And freeze_processes()
  23 sets this variable.  After this, it executes try_to_freeze_tasks() that sends a
  24 fake signal to all user space processes, and wakes up all the kernel threads.
  25 All freezable tasks must react to that by calling try_to_freeze(), which
  26 results in a call to __refrigerator() (defined in kernel/freezer.c), which sets
  27 the task's PF_FROZEN flag, changes its state to TASK_UNINTERRUPTIBLE and makes
  28 it loop until PF_FROZEN is cleared for it. Then, we say that the task is
  29 'frozen' and therefore the set of functions handling this mechanism is referred
  30 to as 'the freezer' (these functions are defined in kernel/power/process.c,
  31 kernel/freezer.c & include/linux/freezer.h). User space processes are generally
  32 frozen before kernel threads.
  33
  34 __refrigerator() must not be called directly.  Instead, use the
  35 try_to_freeze() function (defined in include/linux/freezer.h), that checks
  36 if the task is to be frozen and makes the task enter __refrigerator().
  37
  38 For user space processes try_to_freeze() is called automatically from the
  39 signal-handling code, but the freezable kernel threads need to call it
  40 explicitly in suitable places or use the wait_event_freezable() or
  41 wait_event_freezable_timeout() macros (defined in include/linux/freezer.h)
  42 that combine interruptible sleep with checking if the task is to be frozen and
  43 calling try_to_freeze().  The main loop of a freezable kernel thread may look
  44 like the following one:
  45
  46         set_freezable();
  47         do {
  48                 hub_events();
  49                 wait_event_freezable(khubd_wait,
  50                                 !list_empty(&hub_event_list) ||
  51                                 kthread_should_stop());
  52         } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));
  53
  54 (from drivers/usb/core/hub.c::hub_thread()).
  55
  56 If a freezable kernel thread fails to call try_to_freeze() after the freezer has
  57 initiated a freezing operation, the freezing of tasks will fail and the entire
  58 hibernation operation will be cancelled.  For this reason, freezable kernel
  59 threads must call try_to_freeze() somewhere or use one of the
  60 wait_event_freezable() and wait_event_freezable_timeout() macros.
  61
  62 After the system memory state has been restored from a hibernation image and
  63 devices have been reinitialized, the function thaw_processes() is called in
  64 order to clear the PF_FROZEN flag for each frozen task.  Then, the tasks that
  65 have been frozen leave __refrigerator() and continue running.
  66
  67
  68 Rationale behind the functions dealing with freezing and thawing of tasks:
  69 -------------------------------------------------------------------------
  70
  71 freeze_processes():
  72   - freezes only userspace tasks
  73
  74 freeze_kernel_threads():
  75   - freezes all tasks (including kernel threads) because we can't freeze
  76     kernel threads without freezing userspace tasks
  77
  78 thaw_kernel_threads():
  79   - thaws only kernel threads; this is particularly useful if we need to do
  80     anything special in between thawing of kernel threads and thawing of
  81     userspace tasks, or if we want to postpone the thawing of userspace tasks
  82
  83 thaw_processes():
  84   - thaws all tasks (including kernel threads) because we can't thaw userspace
  85     tasks without thawing kernel threads
  86
  87
  88 III. Which kernel threads are freezable?
  89
  90 Kernel threads are not freezable by default.  However, a kernel thread may clear
  91 PF_NOFREEZE for itself by calling set_freezable() (the resetting of PF_NOFREEZE
  92 directly is not allowed).  From this point it is regarded as freezable
  93 and must call try_to_freeze() in a suitable place.
  94
  95 IV. Why do we do that?
  96
  97 Generally speaking, there is a couple of reasons to use the freezing of tasks:
  98
  99 1. The principal reason is to prevent filesystems from being damaged after
 100 hibernation.  At the moment we have no simple means of checkpointing
 101 filesystems, so if there are any modifications made to filesystem data and/or
 102 metadata on disks, we cannot bring them back to the state from before the
 103 modifications.  At the same time each hibernation image contains some
 104 filesystem-related information that must be consistent with the state of the
 105 on-disk data and metadata after the system memory state has been restored from
 106 the image (otherwise the filesystems will be damaged in a nasty way, usually
 107 making them almost impossible to repair).  We therefore freeze tasks that might
 108 cause the on-disk filesystems' data and metadata to be modified after the
 109 hibernation image has been created and before the system is finally powered off.
 110 The majority of these are user space processes, but if any of the kernel threads
 111 may cause something like this to happen, they have to be freezable.
 112
 113 2. Next, to create the hibernation image we need to free a sufficient amount of
 114 memory (approximately 50% of available RAM) and we need to do that before
 115 devices are deactivated, because we generally need them for swapping out.  Then,
 116 after the memory for the image has been freed, we don't want tasks to allocate
 117 additional memory and we prevent them from doing that by freezing them earlier.
 118 [Of course, this also means that device drivers should not allocate substantial
 119 amounts of memory from their .suspend() callbacks before hibernation, but this
 120 is a separate issue.]
 121
 122 3. The third reason is to prevent user space processes and some kernel threads
 123 from interfering with the suspending and resuming of devices.  A user space
 124 process running on a second CPU while we are suspending devices may, for
 125 example, be troublesome and without the freezing of tasks we would need some
 126 safeguards against race conditions that might occur in such a case.
 127
 128 Although Linus Torvalds doesn't like the freezing of tasks, he said this in one
 129 of the discussions on LKML (http://lkml.org/lkml/2007/4/27/608):
 130
 131 "RJW:> Why we freeze tasks at all or why we freeze kernel threads?
 132
 133 Linus: In many ways, 'at all'.
 134
 135 I _do_ realize the IO request queue issues, and that we cannot actually do
 136 s2ram with some devices in the middle of a DMA.  So we want to be able to
 137 avoid *that*, there's no question about that.  And I suspect that stopping
 138 user threads and then waiting for a sync is practically one of the easier
 139 ways to do so.
 140
 141 So in practice, the 'at all' may become a 'why freeze kernel threads?' and
 142 freezing user threads I don't find really objectionable."
 143
 144 Still, there are kernel threads that may want to be freezable.  For example, if
 145 a kernel thread that belongs to a device driver accesses the device directly, it
 146 in principle needs to know when the device is suspended, so that it doesn't try
 147 to access it at that time.  However, if the kernel thread is freezable, it will
 148 be frozen before the driver's .suspend() callback is executed and it will be
 149 thawed after the driver's .resume() callback has run, so it won't be accessing
 150 the device while it's suspended.
 151
 152 4. Another reason for freezing tasks is to prevent user space processes from
 153 realizing that hibernation (or suspend) operation takes place.  Ideally, user
 154 space processes should not notice that such a system-wide operation has occurred
 155 and should continue running without any problems after the restore (or resume
 156 from suspend).  Unfortunately, in the most general case this is quite difficult
 157 to achieve without the freezing of tasks.  Consider, for example, a process
 158 that depends on all CPUs being online while it's running.  Since we need to
 159 disable nonboot CPUs during the hibernation, if this process is not frozen, it
 160 may notice that the number of CPUs has changed and may start to work incorrectly
 161 because of that.
 162
 163 V. Are there any problems related to the freezing of tasks?
 164
 165 Yes, there are.
 166
 167 First of all, the freezing of kernel threads may be tricky if they depend one
 168 on another.  For example, if kernel thread A waits for a completion (in the
 169 TASK_UNINTERRUPTIBLE state) that needs to be done by freezable kernel thread B
 170 and B is frozen in the meantime, then A will be blocked until B is thawed, which
 171 may be undesirable.  That's why kernel threads are not freezable by default.
 172
 173 Second, there are the following two problems related to the freezing of user
 174 space processes:
 175 1. Putting processes into an uninterruptible sleep distorts the load average.
 176 2. Now that we have FUSE, plus the framework for doing device drivers in
 177 userspace, it gets even more complicated because some userspace processes are
 178 now doing the sorts of things that kernel threads do
 179 (https://lists.linux-foundation.org/pipermail/linux-pm/2007-May/012309.html).
 180
 181 The problem 1. seems to be fixable, although it hasn't been fixed so far.  The
 182 other one is more serious, but it seems that we can work around it by using
 183 hibernation (and suspend) notifiers (in that case, though, we won't be able to
 184 avoid the realization by the user space processes that the hibernation is taking
 185 place).
 186
 187 There are also problems that the freezing of tasks tends to expose, although
 188 they are not directly related to it.  For example, if request_firmware() is
 189 called from a device driver's .resume() routine, it will timeout and eventually
 190 fail, because the user land process that should respond to the request is frozen
 191 at this point.  So, seemingly, the failure is due to the freezing of tasks.
 192 Suppose, however, that the firmware file is located on a filesystem accessible
 193 only through another device that hasn't been resumed yet.  In that case,
 194 request_firmware() will fail regardless of whether or not the freezing of tasks
 195 is used.  Consequently, the problem is not really related to the freezing of
 196 tasks, since it generally exists anyway.
 197
 198 A driver must have all firmwares it may need in RAM before suspend() is called.
 199 If keeping them is not practical, for example due to their size, they must be
 200 requested early enough using the suspend notifier API described in
 201 Documentation/driver-api/pm/notifiers.rst.
 202
 203 VI. Are there any precautions to be taken to prevent freezing failures?
 204
 205 Yes, there are.
 206
 207 First of all, grabbing the 'system_transition_mutex' lock to mutually exclude a piece of code
 208 from system-wide sleep such as suspend/hibernation is not encouraged.
 209 If possible, that piece of code must instead hook onto the suspend/hibernation
 210 notifiers to achieve mutual exclusion. Look at the CPU-Hotplug code
 211 (kernel/cpu.c) for an example.
 212
 213 However, if that is not feasible, and grabbing 'system_transition_mutex' is deemed necessary,
 214 it is strongly discouraged to directly call mutex_[un]lock(&system_transition_mutex) since
 215 that could lead to freezing failures, because if the suspend/hibernate code
 216 successfully acquired the 'system_transition_mutex' lock, and hence that other entity failed
 217 to acquire the lock, then that task would get blocked in TASK_UNINTERRUPTIBLE
 218 state. As a consequence, the freezer would not be able to freeze that task,
 219 leading to freezing failure.
 220
 221 However, the [un]lock_system_sleep() APIs are safe to use in this scenario,
 222 since they ask the freezer to skip freezing this task, since it is anyway
 223 "frozen enough" as it is blocked on 'system_transition_mutex', which will be released
 224 only after the entire suspend/hibernation sequence is complete.
 225 So, to summarize, use [un]lock_system_sleep() instead of directly using
 226 mutex_[un]lock(&system_transition_mutex). That would prevent freezing failures.
 227
 228 V. Miscellaneous
 229 /sys/power/pm_freeze_timeout controls how long it will cost at most to freeze
 230 all user space processes or all freezable kernel threads, in unit of millisecond.
 231 The default value is 20000, with range of unsigned integer.