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分类: 嵌入式

2013-09-02 23:59:34

根据内核3.1.6版本源码、书籍和网上资料,对几个函数进行分析

介绍这几个函数,不得不先介绍等待队列wait_queue_head_t与完成量completion。

等待队列用于使得进程等待某一特定事件的发生,无需频繁的轮询,进程在等待周期中睡眠,当时间发生后由内核自动唤醒。

完成量机制是基于等待队列的,内核利用该机制等待某一操作的结束。这两种经常被使用。

一、等待队列

(一)数据结构

等待队列结构如下,因为每个等待队列都可以再中断时被修改,因此,在操作等待队列之前必须获得一个自旋锁。

struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock;
struct list_head task_list;
};
typedef struct__wait_queue_head wait_queue_head_t;
等待队列是通过task_list双链表来实现,其数据成员是以下数据结构:


typedef struct__wait_queue wait_queue_t;
struct __wait_queue {
unsigned int flags;
#defineWQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01 /* 表示等待进程想要被独占地唤醒 */
void *private; /* 指向等待进程的task_struct实例 */
wait_queue_func_t func; /* 用于唤醒等待进程 */
struct list_head task_list; /* 用于链表元素,将wait_queue_t链接到wait_queue_head_t */
};
其图如下:




等待队列如何使用哪?分两步

1. 为了使得等待进程在一个等待队列中睡眠,需要调用函数wait_event()函数。进程进入睡眠,将控制权释放给调度器。

2. 在内核中另一处,调用wake_up()函数唤醒等待队列中的睡眠进程。

注:使用wait_event()函数使得进程睡眠;而在内核另一处有一个对应的wake_up()函数被调用。

(二)初始化等待队列元素

有两种方法初始化队列:

1. 动态初始化init_waitqueue_entry()

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
{
q->flags = 0;
q->private = p;
q->func = default_wake_function;
}

2. 静态初始化DEFINE_WAIT()


#define DEFINE_WAIT_FUNC(name, function) \
wait_queue_t name = { \
.private = current, \
.func = function, \
.task_list = LIST_HEAD_INIT((name).task_list), \
}

#define DEFINE_WAIT(name) DEFINE_WAIT_FUNC(name, autoremove_wake_function)


其中函数autoremove_wake_function()是用来唤醒进程的,该函数不经调用default_wake_function(),还将所属等待队列成员从等待队列删除。

(三)进程睡眠

1. 通过add_wait_queue()函数将一个进程添加到等待队列,首先获得自旋锁,然后调用__add_wait_queue()实现将新的等待进程添加等待队列(添加到等待队列的头部),然后解锁;代码如下:

static inline void __add_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new)
{
list_add(&new->task_list, &head->task_list);
}


另一个函数add_wait_queue_exclusive()的含义与add_wait_queue()函数类似,但是将等待进程添加到等待队列的尾部,并设置WQ_EXCLUSIXE标志。

使得进程在等待队列上睡眠的另一种方法是:prepare_to_wait(),除了有add_wait_queue()函数的参数外,还要设置进程的状态。

另一个函数prepare_to_wait_exclusive()语义类似。

通常情况下,add_wait_queue()函数不会直接使用,而是调用wait_evnet()函数

/**
* wait_event - sleep until a condition gets true
* @wq: the waitqueue to wait on
* @condition: a C expression for the event to wait for
*
* The process is put to sleep (TASK_UNINTERRUPTIBLE) until the
* @condition evaluates to true. The @condition is checked each time
* the waitqueue @wq is woken up.
*
* wake_up() has to be called after changing any variable that could
* change the result of the wait condition.
*/
#define wait_event(wq, condition) \
do { \
if (condition) \
break; \
__wait_event(wq, condition); \
} while (0)
函数__wait_event()


#define __wait_event(wq, condition) \
do { \
DEFINE_WAIT(__wait); \
\
for (;;) { \
prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); \
if (condition) \
break; \
schedule(); \
} \
finish_wait(&wq, &__wait); \
} while (0)


其中wq是等待进程需要加入的等待队列,而condition是通过与所等待时间有关的一个C表达式形式给出。表示,条件满足时,可以立即停止处理。主要工作由__wait_event()来完成。

分析__wait_event()函数,

(1) 调用DEFINE_WAIT宏建立等待队列成员;

(2) 使用一个无线循环,在循环体内,

(a) 调用prepare_to_wait()使得进程在等待队列上等待;

(b) 当进程被唤醒时,检查指定的条件condition是否满足,如果满足则跳出循环,否则将控制权交给调度器,然后进程继续睡眠。

(3) 调用函数finish_wait()将进程状态设置为TASK_RUNNING,并从等待队列的链表中移除对应的成员。

其他与wait_event类似的函数:

1. wait_event_timeout()函数 ,使得进程处于TASK_INTERRUPTIBLE状态,从而睡眠进程可以通过接收信号被唤醒;

2. wait_event_timeout()函数,等待满足指定的条件,但是如果等待时间超过指定的超时限制则停止睡眠,可以防止进程永远睡眠;

3. wait_event_interruptible_timeout() 使得进程睡眠,但是可以通过接收信号被唤醒,也具有超时限制。

(四)进程睡眠

内核中虽然定义了很多唤醒等待队列中进程的函数,但是最终调用的都是__wake_up()

#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
#define wake_up_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)
#define wake_up_all(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)
#define wake_up_locked(x) __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL)

#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)
#define wake_up_interruptible_all(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)
#define wake_up_interruptible_sync(x) __wake_up_sync((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1)


而__wake_up()函数在加锁之后调用的是__wake_up_common()

static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
int nr_exclusive, int wake_flags, void *key)
{
wait_queue_t *curr, *next;

list_for_each_entry_safe(curr, next, &q->task_list, task_list) {
unsigned flags = curr->flags;

if (curr->func(curr, mode, wake_flags, key) &&
(flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
break;
}
}


其中:q是等待队列,mode指定进程的状态,用于控制唤醒进程的条件,nr_exclusive表示将要唤醒的设置了WQ_FLAG_EXCLUSIVE标志的进程的数目。

然后扫描链表,调用func,直至没有更多的进程被唤醒,或者被唤醒的的独占进程数目已经达到规定数目。

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