核心隨記(三)--同步(2)

2.2、睡眠與喚醒

在作業系統中，睡眠和喚醒原語實際上是作業系統的基本原語，也是實現同步的一種方式，而且它還是實現訊號量的基礎。當程序請求的資源(如記憶體、檔案等)不能得到滿足時，就會主動放棄CPU，進入等待狀態(可中斷等待或者不可中斷等待)。當資源滿足時，就會由別的程序喚醒，從而投入執行。

2.2.1、等待佇列

等待隊列表示一組睡眠的程序，這些程序正在等待特定的事件發生(或者說條件為真)，比如，等待足夠的記憶體。等待佇列是一個雙鏈表，每個佇列都有一個佇列頭，其定義如下：

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//include/linux/wait.h
//等待佇列頭
struct __wait_queue_head {
// 自旋鎖
spinlock_t lock;
struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

等待佇列連結串列中的元素型別為：

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typedef struct __wait_queue wait_queue_t;
//喚醒函式指標
typedef int (*wait_queue_func_t)(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key);
//預設的喚醒函式
int default_wake_function(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key);
struct __wait_queue {
/*取值為WQ_FLAG_EXCLUSIVE(=1)表示互斥程序,由核心有選擇的喚醒.為0時表示非互斥程序,由核心在
**事件發生時喚醒所有等待程序.
**/
unsigned int flags;
#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01
//等待的任務描述符
struct task_struct * task;
//喚醒函式,預設為default_wake_function
wait_queue_func_t func;
struct list_head task_list;
};

其典型的結構如下：

等待佇列頭的初始化：
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)；
其定義如下：

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//incude/linux/wait.h
#define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) { \
.lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED, \
.task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } }
//初始化等待佇列頭
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

或者如下：
wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

等待佇列元素初始化：

//linux/wait.h
//wait_queue_t初始化static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
{
    q->flags =0;
    q->task = p;
    q->func = default_wake_function;
}

2.2.2、等待事件(Waiting on the Event)
核心提供的等待介面包括wait_event(), wait_event_ interruptible(), 和wait_event_interruptible_timeout()。此外sleep_on(), sleep_on_timeout(), 和interruptible_sleep_on()在2.6中仍然支援，但已經過時。這些介面的基本實現如下：

具體程式碼如下：

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//linux/wait.h
#define wait_event(wq, condition) \
do { \
if (condition) //條件發生 \
break; \
__wait_event(wq, condition); \
} while (0)
#define __wait_event(wq, condition) \
do { \
DEFINE_WAIT(__wait); \
\
for (;;) { \
prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); \
if (condition) \
break; \
schedule();//排程 \
} \
finish_wait(&wq, &__wait); \
} while (0)
//kernel/wait.c
void fastcall
prepare_to_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
{
unsigned long flags;
//非互斥程序
wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
//關中斷,並請求自旋鎖
spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
if (list_empty(&wait->task_list))
__add_wait_queue(q, wait); //將等待任務加入等待佇列
/*
* don't alter the task state if this is just going to
* queue an async wait queue callback
*/
if (is_sync_wait(wait))
set_current_state(state); //設定任務當前的狀態
//釋放自旋鎖,並恢復處理器狀態
spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}
//等待完成之後,應該設定任務的狀態為執行狀態,並從等待佇列中刪除
void fastcall finish_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)
{
unsigned long flags;
__set_current_state(TASK_RUNNING); //設定為執行狀態
if (!list_empty_careful(&wait->task_list)) {
spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
list_del_init(&wait->task_list); //從等待佇列中刪除
spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}
}

2.2.3、喚醒(Waking Up)
介面如下：

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//include/inux/wait.h
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
#define wake_up_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)
#define wake_up_all(x) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)
#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_locked(x) __wake_up_locked((x), TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE)
#define wake_up_interruptible_sync(x) __wake_up_sync((x),TASK_INTERRUPTIBLE, 1)

具體實現：

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//kernel/sched.c
void fastcall __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
int nr_exclusive, void *key)
{
unsigned long flags;
//請求自旋鎖,並關中斷
spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
__wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, 0, key);
spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}
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