linux 内核睡眠与唤醒

时间：2022-04-09 02:25:57

休眠（被阻塞）的进程处于一个特殊的不可执行状态。进程休眠由多种原因，但肯定都是为了等待一些事件。事件可能是一 段时间从文件I/O读取更多数据，或者是某个硬件事件。一个进程还由可能在尝试获取一个已被占用的内核信号量时*进入休眠。休眠的一个常见原因就是文件 I/O —— 如进程对一个文件执行了read()操作，而这需要从磁盘里读取。还有，进程在获取键盘输入的时候也需要等待。无论哪种情况，内核的操作都相同：进程把自己标记成休眠状态，从可执行红黑树中移出，放入等待队列，然后调用schedule()选择和执行一个其他进程。唤醒的过程刚好相反：进程被设置为可执行状态，然后再从等待队列中移到可执行红黑树中。

休 眠由两种相关的进程状态：TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 。它们唯一的区别是处于 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的进程会忽略信号，而处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程如果接收到一个信号，会被提前唤醒并响应该信号。两种状态的进程位于同一个等待队列上，等待某些事件，不能够运行。

1.等待队列

休 眠通过等待队列进行处理。等待队列是由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。内核用wake_queue_head_t来代表等待队列。等待队列可以通 过 DECLARE_WAITQUEUE() 静态创建，也可以由 init_waitqueue_head() 动态创建。进程把自己放入等待队列中并设置成不可执行状态。当与等待队列相关的事件发生的时候，队列上的进程会被唤醒。为了避免产生竞争条件，休眠和唤醒 的实现不能有纰漏。

针对休眠，以前曾经使用过一些简单的接口。但那些接口会带来竞争条件：有可能导致在判定条件变为真后，进程却开始了休眠，那样就会使进程无限期的休眠下去。所以，在内核中进行休眠的推荐操作就相对复杂些：

    /* 'q' 是我们希望休眠的等待队列 */  
    DEFINE_WAIT(wait);  
      
    add_wait_queue(q, &wait);  
    while (!condition) { /* 'condition' 是我们在等待的事件 */  
            prepare_to_wait(&q, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);  
            if (signal_pending(current))  
                    /* 处理信号 */  
            schedule();  
    }  
    finish_wait(&q, &wait);

进程通过执行下面几个步骤将自己加入到一个等待队列中：

  1. 调用宏 DEFINE_WAIT() 创建一个等待队列的项。
  2. 调用 add_wait_queue() 把自己加入到队列中（链表操作）。该队列会在进程等待的条件满足时唤醒它。当然我们必须在其他地方撰写相关代码，在事件发生时，对等待队列执行 wake_up() 操作。
  3. 调用 prepare_to_wait() 方法将进程的状态变更为 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 。而且该函数会在必要的情况下将进程加回到等待队列，这是在接下来的循环遍历中所需要的。
  4. 如果状态被设置为 TASK_INTERRUPTIBLE ，则信号唤醒进程。这就是所谓的伪唤醒（唤醒不是因为事件的发生），因此检查并处理信号。
  5. 当进程被唤醒的时候，它会再次检查条件是否为真。如果是，它就退出循环；如果不是，它再次调用 schedule() 并一直重复这步操作。
  6. 当条件满足后，进程将自己设置为 TASK_RUNNING 并调用 finish_wait() 方法把自己移出等待队列。

在上述代码中，函数在schedule()中找到另外一个进程运行，原来的进程进行睡眠，当原来的进程满足条件或者接受到信号时候，会将该进程的状态设置为TASK_RUNNING，此时该进程又可以被调度了，当该进程又一次被调度执行时，接着schedule()下一行代码开始执行，即继续执行while循环，如果条件满足则退出循环，执行finish_wait()函数，该函数会将进程的状态设置为TASK_RUNNING，并从等待队列中删除，如果进程是因为接收到信号而被唤醒，则再继续执行while循环的时候条件不满足时则 signal_pending(current)检查当前进程是否有信号处理，返回不为0表示有信号需要处理，返回 -ERESTARTSYS 表示信号函数处理完毕后重新执行信号函数前的某个系统调用。

void finish_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)

{

　　unsigned long flags;

　　__set_current_state(TASK_RUNNING);

　　if (!list_empty_careful(&wait->task_list)) {

　　　　spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);

　　　　list_del_init(&wait->task_list);

　　　　spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

　　}

}

 

2. 唤醒

唤醒操作通过函数 wake_up() 进行，它会唤醒指定的等待队列上的所有进程。它调用函数 try_to_wake_up() ，该函数负责将进程设置为 TASK_RUNNING 状态，调用 enqueue_task() 将此进程放入红黑树中，如果被唤醒的进程优先级比当前执行的进程优先级高，还要设置 need_resched 标志。通常哪段代码促使等待条件达成，它就要负责随后调用 wake_up() 函数 。举例来说，当磁盘数据到来时，VFS 就要负责对等待队列调用 wake_up() ，以便唤醒队列中等待这些数据的进程。

关于休眠有一点需要注意，存在虚假的唤醒（信号）。有时候进程被唤醒并不是因为它所等待的条件达成了，所以需要用一个循环处理来保证它等待的条件真正达成

 

3.函数原型

简单休眠

完成唤醒任务的代码还必须能够找到我们的进程，这样才能唤醒休眠的进程。需要维护一个称为等待队列的数据结构。等待队列就是一个进程链表，其中包含了等待某个特定事件的所有进程。
linux维护一个“等待队列头”来管理，wait_queue_head_t,定义在<linux/wait.h>
struct  __wait_queue_head {
 wq_lock_t  lock;
 struct  list_head  task_list;
};
typedef  struct __wait_queue_head  wait_queue_head_t;
初始化方法：
静态方法：
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)
动态方法：
wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

linux中最简单的休眠方式是下面的宏，
wait_event(queue, condition)  /*进程将被置于非中断休眠（uninterruptible sleep）*/
wait_event_interruptible(queue, condition) /*进程可被信号中断休眠,返回非0值表示休眠被信号中断*/
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)    /*等待限定时间jiffy，condition满足其一返回0*/
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
queue是等待队列头，传值方式
condition是任意一个布尔表达式，在休眠前后多次对condition求值，为真则唤醒

唤醒进程的基本函数是wake_up
void wake_up(wait_queue_head_t *queue);    /*唤醒等待在给定queue上的所有进程*/
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

实践中，一般是wait_event和wake_up，wait_event_interruptible和wake_up_interruptible成对使用

 

高级休眠
将进程置于休眠的步骤：
（1）分配和初始化一个 wait_queue_t 结构， 随后将其添加到正确的等待队列

struct __wait_queue {        unsigned int flags;#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE       0x01        void *private;        wait_queue_func_t func;        struct list_head task_list;};typedef struct __wait_queue wait_queue_t;（2）设置进程状态，标记为休眠。2.6内核中，使用下面的函数：
      void set_current_state(int new_state);
    在 <linux/sched.h> 中定义有几个任务状态：TASK_RUNNING 意思是进程能够运行。有 2 个状态指示一个进程是   在睡眠: TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNTINTERRUPTIBLE

（3）最后一步是放弃处理器。 但必须先检查进入休眠的条件。如果不做检查会引入竞态： 如果在忙于上面的这个过程时有其他的线程刚刚试图唤醒你，你可能错过唤醒且长时间休眠。因此典型的代码下
if (!condition)
     schedule( );    /*调用调度器，并让出CPU*/
如果代码只是从 schedule 返回，则进程处于TASK_RUNNING 状态。 如果不需睡眠而跳过对 schedule 的调用，必须将任务状态重置为 TASK_RUNNING，还必要从等待队列中去除这个进程，否则它可能被多次唤醒。

手工休眠
上面的进程休眠步骤可通过手工设置：
 （1）创建和初始化一个等待队列。常由宏定义完成:
DEFINE_WAIT(my_wait);
name 是等待队列入口项的名字. 也可以用2步来做:
wait_queue_t my_wait;
init_wait(&my_wait);
常用的做法是放一个 DEFINE_WAIT 在循环的顶部，来实现休眠

（2）添加等待队列入口到队列，并设置进程状态:
void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *queue,
                               wait_queue_t *wait,
                               int state);
queue 和 wait 分别地是等待队列头和进程入口。state 是进程的新状态：TASK_INTERRUPTIBLE(可中断休眠，推荐)或TASK_UNINTERRUPTIBLE(不可中断休眠，不推荐)

（3）在检查确认仍然需要休眠之后调用 schedule
if (!condition)
     schedule( );    /*调用调度器，并让出CPU*/

（4）schedule 返回，就到了清理时间:
void finish_wait(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait);

认 真地看简单休眠中的 wait_event(queue, condition) 和 wait_event_interruptible(queue, condition) 底层源码会发现，其实他们只是手工休眠中的函数的组合。所以怕麻烦的话还是用wait_event比较好。

独占等待
当 一个进程调用 wake_up 在等待队列上，所有的在这个队列上等待的进程被置为可运行的。 这在许多情况下是正确的做法。但有时，可能只有一个被唤醒的进程将成功获得需要的资源，而其余的将再次休眠。这时如果等待队列中的进程数目大，这可能严重 降低系统性能。为此，内核开发者增加了一个“独占等待”选项。它与一个正常的睡眠有 2 个重要的不同:
（1）当等待队列入口设置了 WQ_FLAG_EXCLUSEVE 标志，它被添加到等待队列的尾部；否则，添加到头部。
（2）当 wake_up 被在一个等待队列上调用, 它在唤醒第一个有 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 标志的进程后停止唤醒.但内核仍然每次唤醒所有的非独占等待。
采用独占等待要满足 2 个条件:
（1）希望对资源进行有效竞争；
（2）当资源可用时，唤醒一个进程就足够来完全消耗资源。
使一个进程进入独占等待，可调用：
void prepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait, int state);
注意：无法使用 wait_event 和它的变体来进行独占等待.

唤醒函数

很少会需要调用wake_up_interruptible 之外的唤醒函数，但为完整起见，这里是整个集合：
wake_up(wait_queue_head_t *queue);
wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);
wake_up 唤醒队列中的每个非独占等待进程和一个独占等待进程。wake_up_interruptible 同样, 除了它跳过处于不可中断休眠的进程。它们在返回之前, 使一个或多个进程被唤醒、被调度(如果它们被从一个原子上下文调用, 这就不会发生).
wake_up_nr(wait_queue_head_t *queue, int nr);
wake_up_interruptible_nr(wait_queue_head_t *queue, int nr);
这些函数类似 wake_up, 除了它们能够唤醒多达 nr 个独占等待者, 而不只是一个. 注意传递 0 被解释为请求所有的互斥等待者都被唤醒
wake_up_all(wait_queue_head_t *queue);
wake_up_interruptible_all(wait_queue_head_t *queue);
这种 wake_up 唤醒所有的进程, 不管它们是否进行独占等待(可中断的类型仍然跳过在做不可中断等待的进程)
wake_up_interruptible_sync(wait_queue_head_t *queue);
一 个被唤醒的进程可能抢占当前进程, 并且在 wake_up 返回之前被调度到处理器。 但是, 如果你需要不要被调度出处理器时，可以使用 wake_up_interruptible 的"同步"变体. 这个函数最常用在调用者首先要完成剩下的少量工作，且不希望被调度出处理器时。


参考

http://www.cnblogs.com/noaming1900/archive/2011/01/14/1935526.html
http://www.cnblogs.com/noaming1900/archive/2011/01/14/1935490.html
http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/47805091
http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/09/2542894.html
http://guojing.me/linux-kernel-architecture/posts/wait-queue/ 

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