linux等待队列 wait_queue的使用

我们先讲如何利用wait_queue，然后再讲wait_queue的内核原理

1. 如何利用wait_queue

等待队列用于使进程等待某一特定的事件发生而无需频繁的轮询

在不需要执行任务的时候，我们就让任务进程休眠，直到条件改变时，我们再唤醒他，执行完毕后继续让它睡眠

先来看一个简单的例子：

1）首先初始化等待队列头

wait_queue_head_t my_queue;

init_waitqueue_head(&my_queue);

2）调用wait_event_interruptible如果condition为1则说明需要的条件都满足进程不睡眠，如果condition不为1则说明需要的条件不满足，进程立即进入睡眠等待被唤醒，被唤醒后则开始执行任务，任务执行完毕继续进入睡眠

if( wait_event_interruptible(queue, condition) )

{

//执行任务

}

3）当需要等待中的进程执行任务的时候，则我们唤醒wait_queue

wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue)

2.下面我们具体讲一下wait_queue的基本原理和内核实现

一、什么是睡眠

对于一个进程"睡眠"意味着什么? 当一个进程被置为睡眠, 它被标识为处于一个特殊的状态并且从调度器的运行队列中去除. 直到发生某些事情改变了那个状态, 这个进程将不被在任何 CPU 上调度, 并且, 因此, 将不会运行. 一个睡着的进程已被搁置到系统的一边, 等待以后发生事件.

LDD3说得很玄乎，睡眠是“自愿调度”，其实就是将当前进程的状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE 等状态，然后schedule() 让出CPU1，让调度器重新选择一个进程来执行。

对于一个 Linux 驱动使一个进程睡眠是一个容易做的事情. 但是, 有几个规则必须记住以安全的方式编码睡眠.

这些规则的第一个是: 当你运行在原子上下文时不能睡眠.

一个另外的相关的点, 当然, 是你的进程不能睡眠除非确信其他人, 在某处的, 将唤醒它.做唤醒工作的代码必须也能够找到你的进程来做它的工作. 确保一个唤醒发生, 是深入考虑你的代码和对于每次睡眠, 确切知道什么系列的事件将结束那次睡眠.使你的进程可能被找到, 真正地, 通过一个称为等待队列的数据结构实现的. 一个等待队列就是它听起来的样子:一个进程列表, 都等待一个特定的事件.

二、如何睡眠

在 Linux 中, 一个等待队列由一个"等待队列头"来管理, 一个 wait_queue_head_t 类型的结构, 定义在<linux/wait.h>中. 一个等待队列头可被定义和初始化, 使用:

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);

或者动态地, 如下:

wait_queue_head_t my_queue;

init_waitqueue_head(&my_queue);

1、简单睡眠

Linux 内核中睡眠的最简单方式是一个宏定义, 称为 wait_event(有几个变体); 它结合了处理睡眠的细节和进程在等待的条件的检查. wait_event 的形式是:

wait_event(queue, condition)

wait_event_interruptible(queue, condition)

wait_event_timeout(queue, condition, timeout)

wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)

这些东西如何使用？queue 是等待队列头，condition 是条件，如果调用 wait_event 前 condition == 0 ，则调用 wait_event 之后，当前进程就会休眠。

那么它们四个又有什么不同？

wait_event：将当前进程的状态设置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE ，然后 schedule()

wait_event_interruptible： TASK_INTERRUPTIBLE ，然后 schedule()

wait_event_timeout： TASK_UNINTERRUPTIBLE ，然后 schedule_timeout()

wait_event_interruptible_timeout: TASK_INTERRUPTIBLE , 然后 schedule_timeout()

TASK_INTERRUPTIBLE 与 TASK_UNINTERRUPTIBLE 区别在于，它的休眠是否会被信号打断，别的进程发来一个信号比如 kill ，TASK_INTERRUPTIBLE 就会醒来去处理。然而 TASK_UNINTERRUPTIBLE 不会。schedule()，进程调度，而schedule_timeout()进行调度之后，一定时间后自动唤醒。

对应于不同的进程状态，使用不同的唤醒函数：

void wake_up(wait_queue_head_t *queue);

void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

唤醒时很有意思，比如你调用 wake_up 去唤醒一个使用 wait_event 等，进入休眠的进程，唤醒之后，它会判断 condition 是否为真，如果还是假的继续睡眠。至于为什么这个样子，后面分析代码就会明白。

2、手动睡眠

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) 创建一个等待队列：

tsk一般为当前进行current. 这个宏定义并初始化一个名为name的等待队列.

将等待队列头 加入/移除 等待队列：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

void add_wait_queue_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

设置进程状态：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE) 等

进程调度：

schedule() 或者 schedule_timeout()

三、内核如何实现

以 wait_event 为例，我们看看内核都干了些什么。

#define wait_event(wq, condition)

do {

if (condition)

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();

}

finish_wait(&wq, &__wait);

} while (0)

#define DEFINE_WAIT(name)

wait_queue_t name = {

.private = current,

.func = autoremove_wake_function,

.task_list = LIST_HEAD_INIT((name).task_list),

}

typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

struct __wait_queue {

unsigned int flags;

#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01

void *private;

wait_queue_func_t func;

struct list_head task_list;

};

举个例子：宏展开之后

__wait_event(wq, condition);

wait_queue_t __wait = {

.private = current,

.func = autoremove_wake_function,

.task_list = LIST_HEAD_INIT((__wait).task_list),

}

for (;;) {

prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);

if (condition)

break;

schedule();

}

finish_wait(&wq, &__wait);

其实，它定义了一个叫 __wait 的等待队列，private 指向当前进程的 task_struct 结构体（唤醒的时候好知道是哪个进程），然后调用 prepare_to_wait 将等待队列头加入到等待队列中去，并设置当前进程的状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE。然后，如果 condition 为假，则schedule()，进程调度的时候，当前进程的状态不是 TASK_RUNNING 必然要被移除 “运行队列”，也就永远不会被调度除非直到醒来。如果 condition 为真，那么finish_wait 会把之前的工作都还原，你继续执行吧，你要的条件都满足了，你还休眠个屁！

涉及的函数代码贴一贴

void fastcall

prepare_to_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)

{

unsigned long flags;

wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;

spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);

if (list_empty(&wait->task_list))

__add_wait_queue(q, wait);

/*

* 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);

spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

}

void fastcall finish_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)

{

unsigned long flags;

__set_current_state(TASK_RUNNING);

if (!list_empty_careful(&wait->task_list)) {

spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);

list_del_init(&wait->task_list);

spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

}

}

下面来看看如何唤醒的

#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

void fastcall __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,

int nr_exclusive, void *key)

{

unsigned long flags;

spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);

__wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, 0, key);

spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

}

static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,

int nr_exclusive, int sync, void *key)

{

struct list_head *tmp, *next;

list_for_each_safe(tmp, next, &q->task_list) {

wait_queue_t *curr = list_entry(tmp, wait_queue_t, task_list);

unsigned flags = curr->flags;

if (curr->func(curr, mode, sync, key) &&

(flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)

break;

}

}

此时会调用到，我们在等待队列里指定的那个 func 函数，也就是 autoremove_wake_function

int autoremove_wake_function(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key)

{

int ret = default_wake_function(wait, mode, sync, key);

if (ret)

list_del_init(&wait->task_list);

return ret;

}

int default_wake_function(wait_queue_t *curr, unsigned mode, int sync,

void *key)

{

return try_to_wake_up(curr->private, mode, sync);

}

最终调用到 default_wake_function 来唤醒 等待队列里 private 里指定的那个进程。然后，移除将等待队列头移除等待队列。try_to_wake_up ，会将 要唤醒进程的 进程状态设置为 TASK_RUNNING ,然后放到 “运行队列”中。

有意思的是：

我们休眠时，schedule() 在哪里？ TMD 居然在 for 循环里

for (;;) { \

prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); \

if (condition) \

break; \

schedule(); \

}

唤醒之后，那么又开始了 prepare_to_wait ，判断 condition ....显然 condition 为真，才会真正的 唤醒。

理解了他们，对于手动休眠也就很明白了。手动休眠就不用判断什么 condition 了。

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

tsk一般为当前进行current. 这个宏定义并初始化一个名为name的等待队列.

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

#define __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk) {

.private = tsk,

.func = default_wake_function,

.task_list = { NULL, NULL } }

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

void add_wait_queue_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

void fastcall 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);

}

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

schedule();

简单明了：

1、创建等待队列、等待队列头

2、将等待队列头加入到等待队列中去

3、设置当前进程的进程状态

4、进程调度~