linux中的等待队列

最近看epoll 和 select 都涉及到一个东西叫做设备等待队列，等待队列是如何工作的，内核是怎么管理的？看这篇文章

1. 问题：进程是如何组织起来的？
   我们知道，进程是有很多种状态的：include/linux/sched.h
   #define TASK_RUNNING        0
   #define TASK_INTERRUPTIBLE    1
   #define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2
   #define __TASK_STOPPED        4
   #define __TASK_TRACED        8
   /* in tsk->exit_state */
   #define EXIT_ZOMBIE        16
   #define EXIT_DEAD        32
   等等。
   那么，对于不同状态的进程，内核是如何来管理的呢？
   • 就绪队列：状态为TASK_RUNNING的进程组成的列表；
   • 处于TASK_STOPPED、EXIT_ZOMBIE或者EXIT_DEAD状态的进程是不需要连接进特定链表的。因为对于这些状态的进程而言，父进程只会通过 PID或者子进程链表来进行访问。
   • 而处于TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程分为很多种类型，其每个进程对应一 种特定事件。在这种情况下，进程的状态信息是不能提供足够的信息去快速的检索所需进程，因此有必要介绍一些其他的链表组织结构。比如等待队列。
2. 等待队列：
   在内核里面，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理、进程同步、定时等场合。我们主要讨论其在进程同步中的应用。
   有时候，一个进程可能要等待一些事件的发生，如磁盘操作结束、一些系统资源的释放等等。个人理理解：等待队列就是暂时存放等待某些事件发生的进程的集合。如果一个进程要等待一个事件发生，那么该进程便将自身放入相应的等待队列中进入睡眠，而放弃控制权，直到等待事件发生后才会被内核唤醒。
3. 等待队列的结构：

   

   • 等待队列是以双循环链表的形式实现的，而且队列中的成分(等待队列项)包含了指向进程描述符task的指针。
   • 等待队列头：include/linux/wait.h
     每一个等待队列是有一个等待队列头，等待队列头是一个wait_queue_head_t的数据结构：
     struct __wait_queue_head {
     spinlock_t lock;
         struct list_head task_list;
     };
     typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
     成员说明：
     lock:因为等待队列是不允许多个进程同时进行访问的，以防产生不可预料的结果，因此在此结构中定义了"自旋锁"以实现访问间的同步。
     task_list：用于实现双向链表形式。
     struct list_head {
         struct list_head *next, *prev;
     };
   • 等待队列项：include/linux/wait.h
     struct __wait_queue {
         unsigned int flags;
     struct task_struct *task;(2.6.25.5中是void *private;)
         wait_queue_func_t func;
         struct list_head task_list;
     };
     typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

     等待队列中的每一个成分：等待队列项，代表着一个正在等待特定事件发生的睡眠进程。
     成员解释：
     task：存放着睡眠进程状态描述符的地址；
     task_list：用于将进程链接进等待相同事件发生的进程链表中(等待队列)。
     flag：
     

     ---

     互斥进程(exclusive processes)和非互斥进程：

     我们来考虑一下，如果等待的事件发生了、变为真的了，那么是不是要唤醒等待该事件的所有进程(某个等待队列中)呢？
        总是唤醒所有等待该事件的进程并不一定是合适的。比如考虑这样一种情况：如果队列中的多个进程等待的资源是要互斥访问的，一定时间内只允许一个进程去访问的话，这时候，只需要唤醒一个进程就可以了，其他进程继续睡眠。如果唤醒所有的进程，最终也只有一个进程获得该资源，其他进程让需返回睡眠。

     因此，等待队列中的睡眠进程可被划分为互斥、非互斥进程。
        互斥进程：等待的资源是互斥访问的；互斥进程由内核有选择的唤醒，等待队列项的flag字段为1；
        非互斥进程：等待的资源是可多进程同时访问的。非互斥进程在事件发生时，总是被内核唤醒，等待队列元素的flag字段为0。
     

     ---

     func:
     指定等待队列中的睡眠进程如何被唤醒。
4. 等待队列的创建：include/linux/wait.h
   DECLARE_WAITQUEUE()
   init_waitqueue_head()
   可以用DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)宏定义一个新的等待队列，该宏静态地声明和初始化名为name的等待队列头变量。 init_waitqueue_head()函数用于初始化已动态分配的wait queue head变量。
   等待队列可以通过 DECLARE_WAITQUEUE()静态创建,也可以用 init_waitqueue_head()动态创建。进程把自己放入等待队列中并设置成不可执行状态。 例：
   The init_waitqueue_entry(q, p) function initializes a wait_queue_t structure q as follows:

   q->flags = 0;
       q->task = p;
       q->func = default_wake_function;
   非互斥进程p(flags = 0)将被default_wake_function函数唤醒，而default_wake_function唤醒函数是try_to_wake_up( )的包装而已。

   DEFINE_WAIT:
   可以用宏DEFINE_WAIT声明一个新的wait_queue_t变量(等待队列项)，并且对其进行初始化：
   #define DEFINE_WAIT(name)                        \
       wait_queue_t name = {                        \
           .private    = current,                \
           .func        = autoremove_wake_function,        \
           .task_list    = LIST_HEAD_INIT((name).task_list),    \
       }

5. 等待队列的添加和删除：
   • add_wait_queue( ):kernel/wait.c
     add_wait_queue_exclusive( )
     add_wait_queue()函数把一个非互斥进程插入等待队列链表的第一个位置；
     

     ---

     在wait.c中：
     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);
     }
     EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue);
     内嵌内核函数__add_wait_queue()，并且使用了所机制对该操作进行互斥保护。
     

     ---

     add_wait_queue_exclusive( )函数把一个互斥进程插入等待队列链表的最后一个位置；
   • remove_wait_queue( )：
     remove_wait_queue( )函数从等待队列链表中删除一个进程；
   • waitqueue_active( )：
     waitqueue_active( )函数检查一个给定的等待队列是否为空。
6. 等待队列的使用：睡眠和唤醒:/kernel/sched.c
   该组函数使用任务管理中公用形式的等待队列。
   希望等待一个特定事件的进程能调用下列函数中的任一个:
   • 睡眠操作：思想是更改当前进程（CURRENT）的任务状态，并要求重新调度，因为这时这个进程的状态已经改变，不再在调度表的就绪队列中，因此无法再获得执行机会，进入"睡眠"状态，直至被"唤醒"(wake_up())，即其任务状态重新被修改回就绪态。
     常用的睡眠操作有interruptible_sleep_on和sleep_on，两个函数类似，是把调用进程加入到特定的等待队列中，只不过前者将进程的状态从就绪态 （TASK_RUNNING）设置为TASK_INTERRUPTIBLE，允许通过发送signal唤醒它（即可中断的睡眠状态）；而后者将进程的状态 设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，在这种状态下，不接收任何singal。

     在当前进程上操作的sleep_on()函数：
     void sleep_on(wait_queue_head_t *wq)
         {
             wait_queue_t wait;
             /* 构造当前进程对应的等待队列项 */
     init_waitqueue_entry(&wait, current);  //wait.h中
             /* 将当前进程的状态从TASK_RUNNING改为TASK_UNINTERRUPTIBLE */
             current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;  
             /* 将等待队列项添加到指定链表中 */  
             wq_write_lock_irqsave(&q->lock,flags);
             __add_wait_queue(q, &wait); 
             wq_write_unlock(&q->lock);

     /* 进程重新调度，放弃执行权 */
              schedule( );

     /* 本进程被唤醒，重新获得执行权，首要之事是将等待队列项从链表中删除 */
             wq_write_lock_irq(&q->lock);
              __remove_wait_queue(q, &wait);
             wq_write_unlock_irqrestore(&q->lock,flags);
         /* 至此，等待过程结束，本进程可以正常执行下面的逻辑 */
         }
     该函数把当前进程的状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，并把它插入到特定的等待队列。然后，它调用调度程序，而调度程序重新开始另一个进程的执行。当睡眠进程被唤醒时，调度程序重新开始执行sleep_on()函数，把该进程队列中删除。

   • interruptible_sleep_on()：
     interruptible_sleep_on()与sleep_on()函数基本上是一样的，但是interruptible_sleep_on()把 当前进程的状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE而不是TASK_UNINTERRUPTIBLE，因此，接受一个信号就可以唤醒当前进程；
   • sleep_on_timeout()interruptible_sleep_on_timeout()于上述两个函数类似，只是他们还允许调用者定义一个时间间隔使得进程被内核唤醒；但是，在这两个函数中调用的是schedule_timeout()来代替schedule()。
   • prepare_to_wait()、prepare_to_wait_exclusive()、finish_wait()：在wait.c中：
     是在linux2.6中介绍的，将当前进程放入等待队列的另一种方式。作用同sleep_on()。
   • 对应的唤醒操作包括wake_up_interruptible和wake_up。wake_up函数不仅可以唤醒状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE的进程，而且可以唤醒状态为TASK_INTERRUPTIBLE的进程。 wake_up_interruptible只负责唤醒状态为TASK_INTERRUPTIBLE的进程。这两个宏的定义如下：
     #define wake_up(x)   __wake_up((x),TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1)
     #define wake_up_interruptible(x) __wake_up((x),TASK_INTERRUPTIBLE, 1)
     __wake_up函数主要是获取队列操作的锁，具体工作是调用__wake_up_common完成的。
     void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr)
     {
         if (q) {
             unsigned long flags;
             wq_read_lock_irqsave(&q->lock, flags);
             __wake_up_common(q, mode, nr, 0);
             wq_read_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
         }
     }
     参数q表示要操作的等待队列，mode表示要唤醒任务的状态，如TASK_UNINTERRUPTIBLE或TASK_INTERRUPTIBLE等。nr_exclusive是要唤醒的互斥进程数目，在这之前遇到的非互斥进程将被无条件唤醒。sync表示？？？
     {
         struct list_head *tmp;
         struct task_struct *p;
         CHECK_MAGIC_WQHEAD(q);
         WQ_CHECK_LIST_HEAD(&q->task_list);
         /* 遍历等待队列 */
         list_for_each(tmp,&q->task_list) {
             unsigned int state;
             /* 获得当前等待队列项 */
             wait_queue_t *curr = list_entry(tmp, wait_queue_t, task_list);
             CHECK_MAGIC(curr->__magic);
             /* 获得对应的进程 */
             p = curr->task;
             state = p->state;
             /* 如果我们需要处理这种状态的进程 */
             if (state & mode) {
                 WQ_NOTE_WAKER(curr);
                 if (try_to_wake_up(p, sync) && (curr->flags&WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
                     break;
             }
         }
     }

     其他的还有wake_up_nr, wake_up_all, wake_up_interruptible_nr, wake_up_interruptible_all, wake_up_interruptible_sync, wake_up_locked.

参考文章：
http://hi.baidu.com/abigbigman/blog/item/a0a1fb54f2faa85cd009065f.html
http://linux.chinaunix.net/techdoc/system/2008/03/08/982296.shtml