Linux进程的睡眠和唤醒（一个定时信号唤醒睡眠中的进程）

时间：2021-01-09 14:54:45

        突然想到Nginx中时间更新这块处理，Nginx中为了减少调用系统调用gettimeofday这个函数（因为一旦调用了系统调用，就会使得进程从用户态切换到内核态，就会发生上下文切换，这个代价很大且不值得）而设置了系统时间更新的次数，内部时间更新有两种方式，一种就是在配置文件中设置更新的评论，另一种是没有设置更新频率，在后面这种情况下，可以使用epoll_wait()这个函数的最后一个参数来控制反复的时间间隔，在Nginx内部使用了红黑树来管理定时事件，每次从堆顶选择一个最近的定时事件最为epoll_wait函数的最后一个参数。但是第一种方式是如何处理，系统内部设定了一个定时器，定时事件的时间间隔就是系统配置文件中用户自己设定的事件间隔，每次到一定的时间间隔后，都会有一个定时时间发生，如果epoll_wait处于睡眠状态，那么此进程就会被唤醒。这么一说，一个进程如果处于睡眠状态，那么用户也是可以使用别的方式来唤醒一个睡眠中的进程了！

     我们再来回想一下前面有篇介绍EAGAIN和EINTER这两个错误的文章，EINTER这个错误时慢系统调用而触发的，如果慢系统调用睡眠了，这个时候有信号到达了，睡眠的进程被唤醒了，然后习惯性的查看信号队列，然后进程了用户的信号处理函数。这是正常的处理逻辑。所以在Nginx中使用一个定时器来更新时间是可靠的（定时器中的信号处理函数就是更新时间的。）

  接下来我们看一下内核是如何处理进程的睡眠和唤醒的。



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。

在Linux中，仅等待CPU时间的进程称为就绪进程，它们被放置在一个运行队列中，一个就绪进程的状 态标志位为TASK_RUNNING。一旦一个运行中的进程时间片用完， Linux 内核的调度器会剥夺这个进程对CPU的控制权，并且从运行队列中选择一个合适的进程投入运行。
当然，一个进程也可以主动释放CPU的控制权。函数 schedule()是一个调度函数，它可以被一个进程主动调用，从而调度其它进程占用CPU。一旦这个主动放弃CPU的进程被重新调度占用 CPU，那么它将从上次停止执行的位置开始执行，也就是说它将从调用schedule()的下一行代码处开始执行。
有时候，进程需要等待直到某个特定的事件发生，例如设备初始化完成、I/O 操作完成或定时器到时等。在这种情况下，进程则必须从运行队列移出，加入到一个等待队列中，这个时候进程就进入了睡眠状态。

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。

如果在进程开始休眠之前条件就已经达成，那么循环会退出，进程不会存在错误的进入休眠的倾向。需要注意的是，内核代码在循环体内常常需要完成一些其他任务，比如，它可能在调用 schedule() 之前需要释放掉锁，而在这以后重新获取它们，或者响应其他事件。

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。图 4-1 描述了每个调度程序状态之间的关系。 Linux进程的睡眠和唤醒（一个定时信号唤醒睡眠中的进程）

需要注意内核处理进程的睡眠和唤醒是怎么处理的。同时睡眠的进程也是有区别的！！

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