一条 shell 命令的阻塞与唤醒

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了一条 shell 命令的阻塞与唤醒相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

作者 | 闪客

来源 | CSDN博客

新建一个非常简单的 info.txt 文件。

name:flash
age:28
language:java

在命令行输入一条十分简单的命令。

[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
3

这条命令的意思是读取刚刚的 info.txt 文件,输出它的行数。

我们之前分析了一下 shell 进程是如何读取你的命令的,流程如下图。

当然,这里的 sleep_onwake_up 是进程的阻塞与唤醒机制的实现,我们没有展开讲解。

那我们今天,就详细看看这块的逻辑。

首先,表示进程的数据结构是 task_struct,其中有一个 state 字段表示进程的状态,它在 Linux 0.11 里有五种枚举值。

// shed.h
#define TASK_RUNNING 0      // 运行态
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1    // 可中断等待状态。
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2  // 不可中断等待状态
#define TASK_ZOMBIE 3       // 僵死状态
#define TASK_STOPPED 4      // 停止

当进程首次被创建时,也就是 fork 函数执行后,它的初始状态是 0,也就是运行态。

// system_call.s
_sys_fork:
    ...
    call _copy_process
    ...

// fork.c
int copy_process(...) 
    ...
    p->state = TASK_RUNNING;
    ...

只有当处于运行态的进程,才会被调度机制选中,送入 CPU 开始执行。

// sched.c
void schedule (void) 
    ...
    if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c) 
        ...
        next = i;
    
    ...
    switch_to (next);

以上我简单列出了关键代码,基本可以描绘进程调度的大体框架。 

所以,使得一个进程阻塞的方法非常简单,并不需要什么魔法,只需要将其 state 字段,变成非 TASK_RUNNING 也就是非运行态,即可让它暂时不被 CPU 调度,也就达到了阻塞的效果。

同样,唤醒也非常简单,就是再将对应进程的 state 字段变成 TASK_RUNNING 即可。

Linux 0.11 中的阻塞与唤醒,就是 sleep_on 和 wake_up 函数。

其中 sleep_on 函数将 state 变为 TASK_UNINTERRUPTIBLE。

// sched.c
void sleep_on (struct task_struct **p) 
    struct task_struct *tmp;
    ...
    tmp = *p;
    *p = current;
    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    schedule();
    if (tmp)
        tmp->state = 0;

而 wake_up 函数将 state 变回为 TASK_RUNNING,也就是 0。

// sched.c
void wake_up (struct task_struct **p) 
    (**p).state = 0;

是不是非常简单?

当然 sleep_on 函数除了改变 state 状态之外,还有些难理解的操作,我们先试着来分析一下。

当首次调用 sleep_on 函数时,比如 tty_read 在 secondary 队列为空时调用 sleep_on,传入的 *p 为 NULL,因为此时还没有等待 secondary 这个队列的任务。

struct tty_queue 
    ... 
    struct task_struct * proc_list;
;

struct tty_struct 
    ...
    struct tty_queue secondary;
;

int tty_read(unsigned channel, char * buf, int nr) 
    ...
    sleep_if_empty(&tty->secondary);
    ...


static void sleep_if_empty(struct tty_queue * queue) 
    ...
    interruptible_sleep_on(&queue->proc_list);
    ...   

通过 tmp = *p*p = current 两个赋值操作,此时:

tmp = NULL

*p = 当前任务

同时也使得 proc_list 指向了当前任务的 task_struct。

当有另一个进程调用了 tty_read 读取了同一个 tty 的数据时,就需要再次 sleep_on,此时携带的 *p 就是一个指向了之前的"当前任务"的结构体。

那么经过 tmp = *p 和 *p = current 两个赋值操作后,会变成这个样子。

也就是说,通过每一个当前任务所在的代码块中的 tmp 变量,总能找到上一个正在同样等待一个资源的进程,因此也就形成了一个链表。

那么,当某进程调用了 wake_up 函数唤醒 proc_list 上指向的第一个任务时,改任务变会在 sleep_on 函数执行完 schedule() 后被唤醒并执行下面的代码,把 tmp 指针指向的上一个任务也同样唤醒。

// sched.c
void sleep_on (struct task_struct **p) 
    struct task_struct *tmp;
    ...
    tmp = *p;
    *p = current;
    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    schedule();
    if (tmp)
        tmp->state = 0;

永远记住,唤醒其实就是把 state 变成 0 而已。

而上一个进程唤醒后,和这个被唤醒的进程一样,也会走过它自己的 sleep_on 函数的后半段,把它的上一个进程,也就是上上一个进程唤醒。 

那么上上一个进程,又会唤醒上上上一个进程,上上上一个进程,又会...

看懂了没,通过一个 wake_up 函数,以及上述这种 tmp 变量的巧妙设计,我们就能制造出唤醒的一连串连锁反应。

当然,唤醒后谁能优先抢到资源,那就得看调度的时机以及调度的机制了,对我们来说相当于听天由命了。

OK,现在我们的 shell 进程,通过 read 函数,中间经过了层层封装,以及后面经过了阻塞与唤醒这一番折腾后,终于把键盘输入的字符们,成功由 tty 中的 secondary 队列,读取并存放与 buf 指向的内存地址处。

[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l

接下来,就该解析并执行这条命令了。

// xv6-public sh.c
int main(void) 
    static char buf[100];
    // 读取命令
    while(getcmd(buf, sizeof(buf)) >= 0)
        // 创建新进程
        if(fork() == 0)
            // 执行命令
            runcmd(parsecmd(buf));
        // 等待进程退出
        wait();
    

也就是上述函数中的 runcmd 命令。

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