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Linux内核的等待队列

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2011-09-15 17:42:02

原文地址：Linux内核的等待队列 作者：Alan0521

Linux内核的等待队列是以双循环链表为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。在Linux2.4.21中，等待队列在源代码树include/linux/wait.h中，这是一个通过list_head连接的典型双循环链表，如下图所示。


在这个链表中，有两种数据结构：等待队列头（wait_queue_head_t）和等待队列项（wait_queue_t）。等待队列头和等待队列项中都包含一个list_head类型的域作为"连接件"。由于我们只需要对队列进行添加和删除操作，并不会修改其中的对象（等待队列项），因此，我们只需要提供一把保护整个基础设施和所有对象的锁，这把锁保存在等待队列头中，为wq_lock_t类型。在实现中，可以支持读写锁（rwlock）或自旋锁（spinlock）两种类型，通过一个宏定义来切换。如果使用读写锁，将wq_lock_t定义为rwlock_t类型；如果是自旋锁，将wq_lock_t定义为spinlock_t类型。无论哪种情况，分别相应设置wq_read_lock、wq_read_unlock、wq_read_lock_irqsave、wq_read_unlock_irqrestore、wq_write_lock_irq、wq_write_unlock、wq_write_lock_irqsave和wq_write_unlock_irqrestore等宏。
等待队列头
struct __wait_queue_head {
 wq_lock_t lock;
 struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
前面已经说过，等待队列的主体是进程，这反映在每个等待队列项中，是一个任务结构指针（struct task_struct * task）。flags为该进程的等待标志，当前只支持互斥。
等待队列项
struct __wait_queue {
 unsigned int flags;
#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01
 struct task_struct * task;
 struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue wait_queue_t;
声明和初始化
#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)     \
 wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)
#define __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk) {    \
 task:  tsk,      \
 task_list: { NULL, NULL },     \
    __WAITQUEUE_DEBUG_INIT(name)}
通过DECLARE_WAITQUEUE宏将等待队列项初始化成对应的任务结构，并且用于连接的相关指针均设置为空。其中加入了调试相关代码。
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
 wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
#define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) {    \
 lock:  WAITQUEUE_RW_LOCK_UNLOCKED,   \
 task_list: { &(name).task_list, &(name).task_list }, \
   __WAITQUEUE_HEAD_DEBUG_INIT(name)}
通过DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD宏初始化一个等待队列头，使得其所在链表为空，并设置链表为"未上锁"状态。其中加入了调试相关代码。
static inline void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
该函数初始化一个已经存在的等待队列头，它将整个队列设置为"未上锁"状态，并将链表指针prev和next指向它自身。
{
    q->lock = WAITQUEUE_RW_LOCK_UNLOCKED;
    INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);
}
static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
该函数初始化一个已经存在的等待队列项，它设置对应的任务结构，同时将标志位清0。
{
    q->flags = 0;
    q->task = p;
}
static inline int waitqueue_active(wait_queue_head_t *q)
该函数检查等待队列是否为空。
{
    return !list_empty(&q->task_list);
}
static inline void __add_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new)
将指定的等待队列项new添加到等待队列头head所在的链表头部，该函数假设已经获得锁。
{
    list_add(&new->task_list, &head->task_list);
}
static inline void __add_wait_queue_tail(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new)
将指定的等待队列项new添加到等待队列头head所在的链表尾部，该函数假设已经获得锁。
{
    list_add_tail(&new->task_list, &head->task_list);
}
static inline void __remove_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *old)
将函数从等待队列头head所在的链表中删除指定等待队列项old，该函数假设已经获得锁，并且old在head所在链表中。
{
    list_del(&old->task_list);
}
睡眠和唤醒操作
对等待队列的操作包括睡眠和唤醒（相关函数保存在源代码树的/kernel/sched.c和include/linux/sched.h中）。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"，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，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。以interruptible_sleep_on为例，其展开后的代码是：
void interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
{
    unsigned long flags;
    wait_queue_t wait;
    /* 构造当前进程对应的等待队列项 */
    init_waitqueue_entry(&wait, current);
    /* 将当前进程的状态从TASK_RUNNING改为TASK_INTERRUPTIBLE */
    current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
    /* 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 */
}
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);
    }
}
/* The core wakeup function.  Non-exclusive wakeups (nr_exclusive == 0) just wake everything up.  If it's an exclusive wakeup (nr_exclusive == small +ve number) then we wake all the non-exclusive tasks and one exclusive task.
There are circumstances in which we can try to wake a task which has already started to run but is not in state TASK_RUNNING.  try_to_wake_up() returns zero in this (rare) case, and we handle it by contonuing to scan the queue. */
static inline void __wake_up_common (wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr_exclusive, const int sync)
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;
        }
    }
}
/* 唤醒一个进程，将它放到运行队列中，如果它还不在运行队列的话。"当前"进程总是在运行队列中的（except when the actual re-schedule is in progress)，and as such you're allowed to do the simpler "current->state = TASK_RUNNING" to mark yourself runnable without the overhead of this. */
static inline int try_to_wake_up(struct task_struct * p, int synchronous)
{
    unsigned long flags;
    int success = 0;
    /* 由于我们需要操作运行队列，必须获得对应的锁 */
    spin_lock_irqsave(&runqueue_lock, flags);
    /* 将进程状态设置为TASK_RUNNING */
    p->state = TASK_RUNNING;
    /* 如果进程已经在运行队列中，释放锁退出 */
    if (task_on_runqueue(p))
        goto out;
    /* 否则将进程添加到运行队列中 */
    add_to_runqueue(p);
    /* 如果设置了同步标志 */
    if (!synchronous || !(p->cpus_allowed & (1UL << smp_processor_id())))
        reschedule_idle(p);
    /* 唤醒成功，释放锁退出 */
    success = 1;
out:
    spin_unlock_irqrestore(&runqueue_lock, flags);
    return success;
}
等待队列应用模式
等待队列的的应用涉及两个进程，假设为A和B。A是资源的消费者，B是资源的生产者。A在消费的时候必须确保资源已经生产出来，为此定义一个资源等待队列。这个队列同时要被进程A和进程B使用，我们可以将它定义为一个全局变量。
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(rsc_queue); /* 全局变量 */
在进程A中，执行逻辑如下：
while (resource is unavaiable) {
    interruptible_sleep_on( &wq );
}
consume_resource();
在进程B中，执行逻辑如下：
produce_resource();
wake_up_interruptible( &wq );

====

http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=16100599&do=blog&cuid=492030

Linux内核的等待队列是以双循环链表为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。

在这个链表中，有两种数据结构：等待队列头（wait_queue_head_t）和等待队列项（wait_queue_t）。等待队列头和等待队列项中都包含一个list_head类型的域作为"连接件"。它通过一个双链表和把等待tast的头，和等待的进程列表链接起来。从上图可以清晰看到。所以我们知道，如果要实现一个等待队列，首先要有两个部分。队列头和队列项。下面看他们的数据结构。

view plain
  1. struct list_head {  
  2.     struct list_head *next, *prev;  
  3. };  
  4. struct __wait_queue_head {  
  5.     spinlock_t lock;  
  6.     struct list_head task_list;  
  7. };  
  8. typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;  
  9. struct __wait_queue {  
  10.     unsigned int flags;  
  11. #define WQ_FLAG_EXCLUSIVE    0x01  
  12.     void *private;//2.6版本是采用void指针，而以前的版本是struct task_struct * task;  
  13.                   //实际在用的时候，仍然把private赋值为task  
  14.     wait_queue_func_t func;  
  15.     struct list_head task_list;  
  16. };  

 

所以队列头和队列项是通过list_head联系到一起的，list_head是一个双向链表，在linux内核中有着广泛的应用。并且在list.h中对它有着很多的操作。

 

2.对列头和队列项的初始化：
 wait_queue_head_t my_queue;

init_waitqueue_head(&my_queue);

直接定义并初始化。init_waitqueue_head()函数会将自旋锁初始化为未锁，等待队列初始化为空的双向循环链表。

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue);

定义并初始化

3.定义等待队列： DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk);

view plain
  1. #define   DECLARE_WAITQUEUE(name,   tsk)       /   
  2. wait_queue_t   name     =__WAITQUEUE_INITIALIZER(name,   tsk)   
  3.   
  4. #define   __WAITQUEUE_INITIALIZER(name,   tsk)   {         task:     tsk,        task_list:  {  NULL,   NULL   },  __WAITQUEUE_DEBUG_INI(name)}   

它的解释是: 
通过DECLARE_WAITQUEUE宏将等待队列项初始化成对应的任务结构，并且用于连接的相关指针均设置为空。其中加入了调试相关代码。 
进程通过执行下面步骤将自己加入到一个等待队列中：
1） 调用DECLARE_WAITQUEUE()创建一个等待队列的项；
2） 调用add_wait_queue()把自己加入到等待队列中。该队列会在进程等待的条件满足时唤醒它。在其他地方写相关代码，在事件发生时，对等的队列执行wake_up()操作。
3） 将进程状态变更为： TASK_INTERRUPTIBLE or TASK_UNINTERRUPTIBLE。
4） 如果状态被置为TASK_INTERRUPTIBLE ，则信号唤醒进程。即为伪唤醒（唤醒不是因为事件的发生），因此检查并处理信号。
5） 检查condition是否为真，为真则没必要休眠，如果不为真，则调用scheduled()。
6） 当进程被唤醒的时候，它会再次检查条件是否为真。真就退出循环，否则再次调用scheduled()并一直重复这步操作。
7） condition满足后，进程将自己设置为TASK_RUNNING 并通过remove_wait_queue()退出。

 

4.(从等待队列头中)添加／移出等待队列

(1)add_wait_queue()函数： (2)remove_wait_queue()函数：

 

5.等待事件：（有条件睡眠）

1)wait_event()宏：

view plain
  1. #define wait_event(wq, condition) /   
  2.   
  3. do { /   
  4. if (condition) /   
  5. break; /   
  6. __wait_event(wq, condition); /   
  7. } while (0)   
  8.    
  9. #define __wait_event_timeout(wq, condition, ret) /   
  10.   
  11. do { /   
  12. DEFINE_WAIT(__wait); /   
  13. /   
  14. for (;;) { /   
  15. prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); /   
  16. if (condition) /   
  17. break; /   
  18. ret = schedule_timeout(ret); /   
  19. if (!ret) /   
  20. break; /   
  21. } /   
  22. finish_wait(&wq, &__wait); /   
  23. } while (0)   

 在等待会列中睡眠直到condition为真。在等待的期间，进程会被置为TASK_UNINTERRUPTIBLE进入睡眠，直到condition变量变为真。每次进程被唤醒的时候都会检查condition的值.

(2)wait_event_interruptible()函数:

和wait_event()的区别是调用该宏在等待的过程中当前进程会被设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态.在每次被唤醒的时候,首先检查condition是否为真,如果为真则返回,否则检查如果进程是被信号唤醒,会返回-ERESTARTSYS错误码.如果是condition为真,则返回0.

(3)wait_event_timeout()宏:

也与wait_event()类似.不过如果所给的睡眠时间为负数则立即返回.如果在睡眠期间被唤醒,且condition为真则返回剩余的睡眠时间,否则继续睡眠直到到达或超过给定的睡眠时间,然后返回0.

(4)wait_event_interruptible_timeout()宏:

与wait_event_timeout()类似,不过如果在睡眠期间被信号打断则返回ERESTARTSYS错误码.

(5) wait_event_interruptible_exclusive()宏

同样和wait_event_interruptible()一样,不过该睡眠的进程是一个互斥进程.

 

6.唤醒队列:

(1)wake_up()函数:

唤醒等待队列.可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERUPTIBLE状态的进程,和wait_event/wait_event_timeout成对使用.

2)wake_up_interruptible()函数: #define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

和wake_up()唯一的区别是它只能唤醒TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程.,与wait_event_interruptible/wait_event_interruptible_timeout/ wait_event_interruptible_exclusive成对使用.

 

TASK_INTERRUPTIBLE，允许通过发送signal唤醒它（即可中断的睡眠状态）；

TASK_UNINTERRUPTIBLE，不接收任何 singal

 

7.在等待队列上睡眠：（无条件睡眠，老内核使用，新内核建议不用）

 (1)sleep_on()函数:

该函数的作用是定义一个等待队列(wait)，并将当前进程添加到等待队列中(wait)，然后将当前进程的状态置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，并将等待队列(wait)添加到等待队列头(q)中。之后就被挂起直到资源可以获取，才被从等待队列头(q)中唤醒，从等待队列头中移出。在被挂起等待资源期间，该进程不能被信号唤醒。

(2)sleep_on_timeout()函数：

 

与sleep_on()函数的区别在于调用该函数时，如果在指定的时间内(timeout)没有获得等待的资源就会返回。实际上是调用schedule_timeout()函数实现的。值得注意的是如果所给的睡眠时间(timeout)小于0，则不会睡眠。该函数返回的是真正的睡眠时间。

 

(3)interruptible_sleep_on()函数：

该函数和sleep_on()函数唯一的区别是将当前进程的状态置为TASK_INTERRUPTINLE，这意味在睡眠如果该进程收到信号则会被唤醒。

(4)interruptible_sleep_on_timeout()函数：

类似于sleep_on_timeout()函数。进程在睡眠中可能在等待的时间没有到达就被信号打断而被唤醒，也可能是等待的时间到达而被唤醒。

====

http://blog.csdn.net/funy_liu/article/details/5321147

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