Linux等待队列原理与实现
当进程要获取某些资源(例如从网卡读取数据)的时候,但资源并没有准备好(例如网卡还没接收到数据),这时候内核必须切换到其他进程运行,直到资源准备好再唤醒进程。
waitqueue (等待队列)
就是内核用于管理等待资源的进程,当某个进程获取的资源没有准备好的时候,可以通过调用 add_wait_queue()
函数把进程添加到 waitqueue
中,然后切换到其他进程继续执行。当资源准备好,由资源提供方通过调用 wake_up()
函数来唤醒等待的进程。
等待队列初始化
要使用 waitqueue
首先需要声明一个 wait_queue_head_t
结构的变量,wait_queue_head_t
结构定义如下:
struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock;
struct list_head task_list;
};
waitqueue
本质上是一个链表,而 wait_queue_head_t
结构是 waitqueue
的头部,lock
字段用于保护等待队列在多核环境下数据被破坏,而 task_list
字段用于保存等待资源的进程列表。
可以通过调用 init_waitqueue_head()
函数来初始化 wait_queue_head_t
结构,其实现如下:
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
{
spin_lock_init(&q->lock);
INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);
}
初始化过程很简单,首先调用 spin_lock_init()
来初始化自旋锁 lock
,然后调用 INIT_LIST_HEAD()
来初始化进程链表。
向等待队列添加等待进程
要向 waitqueue
添加等待进程,首先要声明一个 wait_queue_t
结构的变量,wait_queue_t
结构定义如下:
typedef int (*wait_queue_func_t)(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key);
struct __wait_queue {
unsigned int flags;
void *private;
wait_queue_func_t func;
struct list_head task_list;
};
下面说明一下各个成员的作用:
-
flags
: 可以设置为WQ_FLAG_EXCLUSIVE
,表示等待的进程应该独占资源(解决惊群现象)。 -
private
: 一般用于保存等待进程的进程描述符task_struct
。 -
func
: 唤醒函数,一般设置为default_wake_function()
函数,当然也可以设置为自定义的唤醒函数。 -
task_list
: 用于连接其他等待资源的进程。
可以通过调用 init_waitqueue_entry()
函数来初始化 wait_queue_t
结构变量,其实现如下:
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;
}
也可以通过调用 init_waitqueue_func_entry()
函数来初始化为自定义的唤醒函数:
static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q, wait_queue_func_t func)
{
q->flags = 0;
q->private = NULL;
q->func = func;
}
初始化完 wait_queue_t
结构变量后,可以通过调用 add_wait_queue()
函数把等待进程添加到等待队列,其实现如下:
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);
}
static inline void __add_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new)
{
list_add(&new->task_list, &head->task_list);
}
add_wait_queue()
函数的实现很简单,首先通过调用 spin_lock_irqsave()
上锁,然后调用 list_add()
函数把节点添加到等待队列即可。
wait_queue_head_t
结构与 wait_queue_t
结构之间的关系如下图:
休眠等待进程
当把进程添加到等待队列后,就可以休眠当前进程,让出CPU给其他进程运行,要休眠进程可以通过以下方式:
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule();
代码 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)
可以把当前进程运行状态设置为 可中断休眠
状态,调用 schedule()
函数可以使当前进程让出CPU,切换到其他进程执行。
唤醒等待队列
当资源准备好后,就可以唤醒等待队列中的进程,可以通过 wake_up()
函数来唤醒等待队列中的进程。wake_up()
最终会调用 __wake_up_common()
,其实现如下:
static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q,
unsigned int mode, int nr_exclusive, int sync, 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, sync, key) &&
(flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
break;
}
}
可以看出,唤醒等待队列就是变量等待队列的等待进程,然后调用唤醒函数来唤醒它们。
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