源码解读Linux等待队列

作者: 881ef7b85f62 | 来源:发表于2019-01-28 20:59 被阅读8次

从源码角度来解读Linux等待队列机制，了解休眠与唤醒的运转原理

kernel/include/linux/wait.h
kernel/kernel/sched/wait.c
kernel/include/linux/sched.h
kernel/kernel/sched/core.c

一、概述

Linux内核的等待队列是非常重要的数据结构，在内核驱动中广为使用，它是以双循环链表为基础数据结构，与进程的休眠唤醒机制紧密相联，是实现异步事件通知、跨进程通信、同步资源访问等技术的底层技术支撑。

研究等待队列这个内核非常基础的数据结构，对于加深理解Linux非常有帮忙，等待队列有两种数据结构：等待队列头(wait_queue_head_t)和等待队列项(wait_queue_t)，两者都有一个list_head类型task_list。双向链表通过task_list将等待队列头和一系列等待队列项串起来，源码如下所示。

二、等待队列

2.1 struct wait_queue_head_t

struct __wait_queue_head {
    spinlock_t        lock;  //用于互斥访问的自旋锁
    struct list_head    task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

可通过宏DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)来创建类型为wait_queue_head_t的等待队列头name。

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
    struct wait_queue_head name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

#define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) {                    \
    .lock        = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),            \
    .head        = { &(name).head, &(name).head } }

2.2 struct wait_queue_t

struct __wait_queue {
    unsigned int        flags;
    void            *private;  //指向等待队列的进程task_struct
    wait_queue_func_t    func;  //唤醒函数
    struct list_head    task_list; //链表元素，将wait_queue_t挂到wait_queue_head_t
};
typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

可通过宏DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)来创建类型为wait_queue_t的等待队列项name，并将tsk赋值给成员变量private， default_wake_function赋值给成员变量func。

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)                        \
    struct wait_queue_entry name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

#define __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk) {                    \
    .private    = tsk,                            \
    .func        = default_wake_function,                \
    .entry        = { NULL, NULL } }

2.3 add_wait_queue

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);  //挂到队列头
    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);
}

该方法的功能是将wait等待队列项挂到等待队列头q中。

2.4 remove_wait_queue

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)
{
    unsigned long flags;
    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
    __remove_wait_queue(q, wait);
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}

static inline void __remove_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *old)
{
    list_del(&old->task_list);
}

该方法主要功能是将wait等待队列项从等待队列头q中移除。

到这里，已经介绍了wait_queue_head_t和wait_queue_t这两个创建方法，以及增加和删除等待队列元素的方法。接下里说一说如何在等待队列的基础上建立休眠与唤醒机制。

三、休眠与唤醒

3.1 wait_event

#define wait_event(wq, condition)                    \
do {                                    \
    if (condition)                            \
        break;                            \
    __wait_event(wq, condition);                    \
} while (0)

#define __wait_event(wq, condition)                    \
    (void)___wait_event(wq, condition, TASK_UNINTERRUPTIBLE, 0, 0, schedule())

将___wait_event()宏展开如下所示

___wait_event(wq, condition, state, exclusive, ret, cmd){  
    wait_queue_t __wait;                    
    INIT_LIST_HEAD(&__wait.task_list);                
    for (;;) {
        //当检测进程是否有待处理信号则返回值__int不为0，【见3.1.1】
        long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);
        if (condition)  //当满足条件，则跳出循环                    
            break;                        

        //当有待处理信号且进程处于可中断状态(TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_KILLABLE))，则跳出循环
        if (___wait_is_interruptible(state) && __int) {        
            __ret = __int;                    
            break;                      
        }                            
        cmd; //schedule()，进入睡眠，从进程就绪队列选择一个高优先级进程来代替当前进程运行                       
    }                                
    finish_wait(&wq, &__wait);  //如果__wait还位于队列wq，则将__wait从wq中移除              
}

3.1.1 prepare_to_wait_event

再来看看进入睡眠状态之前的准备工作，用于防止wait没有队列中，而事件已产生，则会无线等待。

long prepare_to_wait_event(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
{
    unsigned long flags;
    if (signal_pending_state(state, current)) //信号检测
        return -ERESTARTSYS;

    wait->private = current;
    wait->func = autoremove_wake_function; //设置func唤醒函数，【小节3.1.2】

    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
    if (list_empty(&wait->task_list)) {  //当wait不在队列q，则加入其中，防止无法唤醒
        if (wait->flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE)
            __add_wait_queue_tail(q, wait);
        else
            __add_wait_queue(q, wait);
    }
    set_current_state(state);  //设置进程状态
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

    return 0;
}

wait_event(wq, condition)：进入睡眠状态直到condition为true，在等待期进程状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE。对应的唤醒方法是wake_up()，当等待队列wq被唤醒时会执行如下两个检测：

检查condition是否为true，满足条件，则跳出循环。
检测该进程task的成员thread_info->flags是否被设置TIF_SIGPENDING，被设置则说明有待处理的信号，则跳出循环。

wait_event_xxx有一组用于睡眠的函数，基于是否可中断(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，是否有超时机制，在方法名后缀加上interruptible，timeout等信息，对应的含义就是允许中断(TASK_INTERRUPTINLE)和带有超时机制，比如wait_event_interruptible()，这里就不再列举。另外sleep_on()也是进入睡眠状态，没有condition，不过该方法有可能导致竞态，从kernel 3.15移除该方法，采用wait_event代替sleep_on()。

3.1.2 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); //唤醒函数
    if (ret)
        list_del_init(&wait->task_list); //从列表中移除wait
    return ret;
}

3.2 wake_up

#define wake_up(x)            __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)

void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
            int nr_exclusive, void *key)
{
    unsigned long flags;
    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
    //核心方法
    __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 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;
        //调用唤醒函数 【小节3.2.1】
        if (curr->func(curr, mode, wake_flags, key) &&
                (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
            break;
    }
}

wait_event(wq)遍历整个等待列表wq中的每一项wait_queue_t，依次调用唤醒函数来唤醒该等待队列中的所有项，唤醒函数如下：

对于通过宏DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) 来创建wait，再调用add_wait_queue(wq, wait)方法，则唤醒函数为default_wake_function
对于通过wait_event(wq, condition)方式加入的wait项，则经过调用prepare_to_wait_event()方法，则唤醒函数为autoremove_wake_function，由小节[1.3.5]可知，该方法主要还是调用default_wake_function来唤醒。

wake_up_xxx有一组用于唤醒的函数，跟wait_event配套使用。比如wait_event()与wake_up()，wait_event_interruptible()与wake_up_interruptible()。

3.2.1 default_wake_function

再来看看唤醒函数函数

int default_wake_function(wait_queue_t *curr, unsigned mode, int wake_flags,
              void *key)
{
    //获取wait所对应的进程 【小节3.2.2】
    return try_to_wake_up(curr->private, mode, wake_flags);
}

3.2.2 try_to_wake_up

try_to_wake_up(struct task_struct *p, unsigned int state, int wake_flags)
{
    unsigned long flags;
    int cpu, src_cpu, success = 0;

    bool freq_notif_allowed = !(wake_flags & WF_NO_NOTIFIER);
    bool check_group = false;
    wake_flags &= ~WF_NO_NOTIFIER;

    smp_mb__before_spinlock();
    raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags); //关闭本地中断
    src_cpu = cpu = task_cpu(p);

    //如果当前进程状态不属于可唤醒状态集，则无法唤醒该进程
    //wake_up()传递过来的TASK_NORMAL等于(TASK_INTERRUPTIBLE | TASK_UNINTERRUPTIBLE)
    if (!(p->state & state)) 
        goto out;

    success = 1; 
    smp_rmb();
    if (p->on_rq && ttwu_remote(p, wake_flags)) //当前进程已处于rq运行队列，则无需唤醒
        goto stat;
    ...

    ttwu_queue(p, cpu); //【小节3.2.3】
stat:
    ttwu_stat(p, cpu, wake_flags);
out:
    raw_spin_unlock_irqrestore(&p->pi_lock, flags); //恢复本地中断
    ...
    return success;
}

3.2.3 ttwu_queue

static void ttwu_queue(struct task_struct *p, int cpu)
{
    struct rq *rq = cpu_rq(cpu); // 获取当前进程的运行队列
    raw_spin_lock(&rq->lock);
    lockdep_pin_lock(&rq->lock);
    ttwu_do_activate(rq, p, 0); // 【小节3.2.4】
    lockdep_unpin_lock(&rq->lock);
    raw_spin_unlock(&rq->lock);
}

在kernel/sched/core.c目录中发现有大量ttwu_xxx的方法，这个单词缩写可真是厉害，琢磨一会结合上下文，才明白原来是try to wake up的缩写，另外为了简化，这里只介绍单处理器的逻辑。

3.2.4 ttwu_do_activate

static void ttwu_do_activate(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags)
{
    ttwu_activate(rq, p, ENQUEUE_WAKEUP | ENQUEUE_WAKING);
    ttwu_do_wakeup(rq, p, wake_flags);
}

static inline void ttwu_activate(struct rq *rq, struct task_struct *p, int en_flags)
{
    activate_task(rq, p, en_flags); //将进程task加入rq队列
    p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;

    if (p->flags & PF_WQ_WORKER)
        wq_worker_waking_up(p, cpu_of(rq)); //worker正在唤醒中，则通知工作队列
}

static void ttwu_do_wakeup(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags)
{
    check_preempt_curr(rq, p, wake_flags);
    p->state = TASK_RUNNING; //标记该进程为TASK_RUNNING状态
    ...
}

四、总结

通过DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)可初始化wait_queue_head_t结构体，通过DECLARE_WAITQUEUE可初始化wait_queue_t结构体，由等待队列头(wait_queue_head_t)和等待队列项(wait_queue_t)构建一个双向链表。可通过add_wait_queue和remove_wait_queue分别向双向链表中添加或删除等待项。

休眠与唤醒流程：

进程A调用wait_event(wq, condition)就是向等待队列头中添加等待队列wait_queue_t，该wait_queue_t中的private记录了当前进程以及func记录唤醒回调函数，然后调用schedule()进入休眠状态。
进程B调用wake_up(wq)会遍历整个等待列表wq中的每一项wait_queue_t，依次每一项的调用唤醒函数try_to_wake_up()。这个过程会将private记录的进程加入rq运行队列，并设置进程状态为TASK_RUNNING。
进程A被唤醒后只执行如下检测：
- 检查condition是否为true，满足条件则跳出循环，再把wait_queue_t从wq队列中移除；
- 检测该进程task的成员thread_info->flags是否被设置TIF_SIGPENDING，被设置则说明有待处理的信号，则跳出循环，再把wait_queue_t从wq队列中移除；
- 否则，继续调用schedule()再次进入休眠等待状态，如果wait_queue_t不在wq队列，则再次加入wq队列。
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