linux中的等待队列

浏览数：88 / 时间：2015年06月20日

最近看epoll 和 select 都涉及到一个东西叫做设备等待队列，等待队列是如何工作的，内核是怎么管理的？看这篇文章

问题：进程是如何组织起来的？
我们知道，进程是有很多种状态的：include/linux/sched.h
#define TASK_RUNNING        0
#define TASK_INTERRUPTIBLE    1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2
#define __TASK_STOPPED        4
#define __TASK_TRACED        8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE        16
#define EXIT_DEAD        32
等等。
那么，对于不同状态的进程，内核是如何来管理的呢？
- 就绪队列：状态为TASK_RUNNING的进程组成的列表；
- 处于TASK_STOPPED、EXIT_ZOMBIE或者EXIT_DEAD状态的进程是不需要连接进特定链表的。因为对于这些状态的进程而言，父进程只会通过 PID或者子进程链表来进行访问。
- 而处于TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程分为很多种类型，其每个进程对应一种特定事件。在这种情况下，进程的状态信息是不能提供足够的信息去快速的检索所需进程，因此有必要介绍一些其他的链表组织结构。比如等待队列。
等待队列：
在内核里面，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理、进程同步、定时等场合。我们主要讨论其在进程同步中的应用。
有时候，一个进程可能要等待一些事件的发生，如磁盘操作结束、一些系统资源的释放等等。个人理理解：等待队列就是暂时存放等待某些事件发生的进程的集合。如果一个进程要等待一个事件发生，那么该进程便将自身放入相应的等待队列中进入睡眠，而放弃控制权，直到等待事件发生后才会被内核唤醒。
等待队列的结构：
- 等待队列是以双循环链表的形式实现的，而且队列中的成分(等待队列项)包含了指向进程描述符task的指针。
- 等待队列头：include/linux/wait.h
  每一个等待队列是有一个等待队列头，等待队列头是一个wait_queue_head_t的数据结构：
  struct __wait_queue_head {
  spinlock_t lock;
  struct list_head task_list;
  };
  typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
  成员说明：
  lock:因为等待队列是不允许多个进程同时进行访问的，以防产生不可预料的结果，因此在此结构中定义了"自旋锁"以实现访问间的同步。
  task_list：用于实现双向链表形式。
  struct list_head {
  struct list_head *next, *prev;
  };
- 等待队列项：include/linux/wait.h
  struct __wait_queue {
      unsigned int flags;
  struct task_struct *task;(2.6.25.5中是void *private;)
      wait_queue_func_t func;
      struct list_head task_list;
  };
  typedef struct __wait_queue wait_queue_t;
  
  等待队列中的每一个成分：等待队列项，代表着一个正在等待特定事件发生的睡眠进程。
  成员解释：
  task：存放着睡眠进程状态描述符的地址；
  task_list：用于将进程链接进等待相同事件发生的进程链表中(等待队列)。
  flag：
  
  互斥进程(exclusive processes)和非互斥进程：
  
  我们来考虑一下，如果等待的事件发生了、变为真的了，那么是不是要唤醒等待该事件的所有进程(某个等待队列中)呢？
     总是唤醒所有等待该事件的进程并不一定是合适的。比如考虑这样一种情况：如果队列中的多个进程等待的资源是要互斥访问的，一定时间内只允许一个进程去访问的话，这时候，只需要唤醒一个进程就可以了，其他进程继续睡眠。如果唤醒所有的进程，最终也只有一个进程获得该资源，其他进程让需返回睡眠。
  
  因此，等待队列中的睡眠进程可被划分为互斥、非互斥进程。
     互斥进程：等待的资源是互斥访问的；互斥进程由内核有选择的唤醒，等待队列项的flag字段为1；
     非互斥进程：等待的资源是可多进程同时访问的。非互斥进程在事件发生时，总是被内核唤醒，等待队列元素的flag字段为0。
  
  func:
  指定等待队列中的睡眠进程如何被唤醒。
等待队列的创建：include/linux/wait.h
DECLARE_WAITQUEUE()
init_waitqueue_head()
可以用DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)宏定义一个新的等待队列，该宏静态地声明和初始化名为name的等待队列头变量。 init_waitqueue_head()函数用于初始化已动态分配的wait queue head变量。
等待队列可以通过 DECLARE_WAITQUEUE()静态创建,也可以用 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。例：
The init_waitqueue_entry(q, p) function initializes a wait_queue_t structure q as follows:

    q->flags = 0;
    q->task = p;
    q->func = default_wake_function;
非互斥进程p(flags = 0)将被default_wake_function函数唤醒，而default_wake_function唤醒函数是try_to_wake_up( )的包装而已。

DEFINE_WAIT:
可以用宏DEFINE_WAIT声明一个新的wait_queue_t变量(等待队列项)，并且对其进行初始化：
#define DEFINE_WAIT(name)                        \
    wait_queue_t name = {                        \
        .private    = current,                \
        .func        = autoremove_wake_function,        \
        .task_list    = LIST_HEAD_INIT((name).task_list),    \
    }
等待队列的添加和删除：
- add_wait_queue( ):kernel/wait.c
  add_wait_queue_exclusive( )
  add_wait_queue()函数把一个非互斥进程插入等待队列链表的第一个位置；
  
  在wait.c中：
  void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)
  {
      unsigned long flags;
  
      wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
  spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
      __add_wait_queue(q, wait);
  spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
  }
  EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue);
  内嵌内核函数__add_wait_queue()，并且使用了所机制对该操作进行互斥保护。
  
  add_wait_queue_exclusive( )函数把一个互斥进程插入等待队列链表的最后一个位置；
- remove_wait_queue( )：
  remove_wait_queue( )函数从等待队列链表中删除一个进程；
- waitqueue_active( )：
  waitqueue_active( )函数检查一个给定的等待队列是否为空。
等待队列的使用：睡眠和唤醒:/kernel/sched.c
该组函数使用任务管理中公用形式的等待队列。
希望等待一个特定事件的进程能调用下列函数中的任一个:
- 睡眠操作：思想是更改当前进程（CURRENT）的任务状态，并要求重新调度，因为这时这个进程的状态已经改变，不再在调度表的就绪队列中，因此无法再获得执行机会，进入"睡眠"状态，直至被"唤醒"(wake_up())，即其任务状态重新被修改回就绪态。
  常用的睡眠操作有interruptible_sleep_on和sleep_on，两个函数类似，是把调用进程加入到特定的等待队列中，只不过前者将进程的状态从就绪态（TASK_RUNNING）设置为TASK_INTERRUPTIBLE，允许通过发送signal唤醒它（即可中断的睡眠状态）；而后者将进程的状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，在这种状态下，不接收任何singal。
  
  在当前进程上操作的sleep_on()函数：
  void sleep_on(wait_queue_head_t *wq)
      {
          wait_queue_t wait;
          /* 构造当前进程对应的等待队列项 */
  init_waitqueue_entry(&wait, current); //wait.h中
          /* 将当前进程的状态从TASK_RUNNING改为TASK_UNINTERRUPTIBLE */
          current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
  /* 将等待队列项添加到指定链表中 */
  wq_write_lock_irqsave(&q->lock,flags);
  __add_wait_queue(q, &wait);
        wq_write_unlock(&q->lock);
  
       /* 进程重新调度，放弃执行权 */
           schedule( );
  
          /* 本进程被唤醒，重新获得执行权，首要之事是将等待队列项从链表中删除 */
          wq_write_lock_irq(&q->lock);
         __remove_wait_queue(q, &wait);
        wq_write_unlock_irqrestore(&q->lock,flags);
  /* 至此，等待过程结束，本进程可以正常执行下面的逻辑 */
      }
  该函数把当前进程的状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，并把它插入到特定的等待队列。然后，它调用调度程序，而调度程序重新开始另一个进程的执行。当睡眠进程被唤醒时，调度程序重新开始执行sleep_on()函数，把该进程队列中删除。
- interruptible_sleep_on()：
  interruptible_sleep_on()与sleep_on()函数基本上是一样的，但是interruptible_sleep_on()把当前进程的状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE而不是TASK_UNINTERRUPTIBLE，因此，接受一个信号就可以唤醒当前进程；
- sleep_on_timeout()interruptible_sleep_on_timeout()于上述两个函数类似，只是他们还允许调用者定义一个时间间隔使得进程被内核唤醒；但是，在这两个函数中调用的是schedule_timeout()来代替schedule()。
- prepare_to_wait()、prepare_to_wait_exclusive()、finish_wait()：在wait.c中：
  是在linux2.6中介绍的，将当前进程放入等待队列的另一种方式。作用同sleep_on()。
- 对应的唤醒操作包括wake_up_interruptible和wake_up。wake_up函数不仅可以唤醒状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE的进程，而且可以唤醒状态为TASK_INTERRUPTIBLE的进程。 wake_up_interruptible只负责唤醒状态为TASK_INTERRUPTIBLE的进程。这两个宏的定义如下：
  #define wake_up(x) __wake_up((x),TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1)
  #define wake_up_interruptible(x) __wake_up((x),TASK_INTERRUPTIBLE, 1)
  __wake_up函数主要是获取队列操作的锁，具体工作是调用__wake_up_common完成的。
  void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr)
  {
  if (q) {
        unsigned long flags;
        wq_read_lock_irqsave(&q->lock, flags);
        __wake_up_common(q, mode, nr, 0);
        wq_read_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
  }
  }
  参数q表示要操作的等待队列，mode表示要唤醒任务的状态，如TASK_UNINTERRUPTIBLE或TASK_INTERRUPTIBLE等。nr_exclusive是要唤醒的互斥进程数目，在这之前遇到的非互斥进程将被无条件唤醒。sync表示？？？
  {
  struct list_head *tmp;
  struct task_struct *p;
  CHECK_MAGIC_WQHEAD(q);
  WQ_CHECK_LIST_HEAD(&q->task_list);
  /* 遍历等待队列 */
  list_for_each(tmp,&q->task_list) {
        unsigned int state;
        /* 获得当前等待队列项 */
        wait_queue_t *curr = list_entry(tmp, wait_queue_t, task_list);
        CHECK_MAGIC(curr->__magic);
        /* 获得对应的进程 */
        p = curr->task;
        state = p->state;
        /* 如果我们需要处理这种状态的进程 */
        if (state & mode) {
           WQ_NOTE_WAKER(curr);
           if (try_to_wake_up(p, sync) && (curr->flags&WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
              break;
        }
  }
  }
  
  其他的还有wake_up_nr, wake_up_all, wake_up_interruptible_nr, wake_up_interruptible_all, wake_up_interruptible_sync, wake_up_locked.