linux内核中等待队列 （函数wait_event与wake_up）

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。

完成量，下一次在学习。

参考资料：

      (1) http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20565550&do=blog&id=303575

      (2) 《深入linuc内核架构》