linux内核数据结构之等待队列

Posted 2023-02-03 Ven_J

Linux内核的等待队列是以双循环链表为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。

在这个链表中，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）。等待队列头和等待队列项中都包含一个list_head类型的域作为"连接件"。它通过一个双链表和把等待task的头，和等待的进程列表链接起来。从上图可以清晰看到。所以我们知道，如果要实现一个等待队列，首先要有两个部分。队列头和队列项。下面看他们的数据结构。

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struct  list_head      struct  list_head *next, *prev; ;     struct  __wait_queue_head      spinlock_t lock;      struct  list_head task_list; ;     typedef  struct  __wait_queue_head wait_queue_head_t;     struct  __wait_queue      unsigned  int  flags; #define WQ_FLAG_EXCLUSIVE    0x01      void  * private ; //2.6版本是采用void指针，而以前的版本是struct task_struct * task;                              //实际在用的时候，仍然把private赋值为task      wait_queue_func_t func;      struct  list_head task_list; ;

 所以队列头和队列项是通过list_head联系到一起的，list_head是一个双向链表，在linux内核中有着广泛的应用。并且在list.h中对它有着很多的操作。 

2.对列头和队列项的初始化：
 wait_queue_head_t my_queue;

init_waitqueue_head(&my_queue);

动态直接定义并初始化。init_waitqueue_head()函数会将自旋锁初始化为未锁，等待队列初始化为空的双向循环链表。

静态定义并初始化

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue);

3.定义等待队列： DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk);

[cpp]

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1. #define   DECLARE_WAITQUEUE(name,   tsk)       /   
2. wait_queue_t   name     =__WAITQUEUE_INITIALIZER(name,   tsk)   
3.   
4. #define   __WAITQUEUE_INITIALIZER(name,   tsk)            task:     tsk,        task_list:    NULL,   NULL   ,  __WAITQUEUE_DEBUG_INI(name)   

它的解释是: 
通过DECLARE_WAITQUEUE宏将等待队列项初始化成对应的任务结构，并且用于连接的相关指针均设置为空。其中加入了调试相关代码。 
进程通过执行下面步骤将自己加入到一个等待队列中：
1） 调用DECLARE_WAITQUEUE()创建一个等待队列的项；
2） 调用add_wait_queue()把自己加入到等待队列中。该队列会在进程等待的条件满足时唤醒它。在其他地方写相关代码，在事件发生时，对等的队列执行wake_up()操作。
3） 将进程状态变更为： TASK_INTERRUPTIBLE or TASK_UNINTERRUPTIBLE。
4） 如果状态被置为TASK_INTERRUPTIBLE ，则信号唤醒进程。即为伪唤醒（唤醒不是因为事件的发生），因此检查并处理信号。
5） 检查condition是否为真，为真则没必要休眠，如果不为真，则调用scheduled()。
6） 当进程被唤醒的时候，它会再次检查条件是否为真。真就退出循环，否则再次调用scheduled()并一直重复这步操作。
7） condition满足后，进程将自己设置为TASK_RUNNING 并通过remove_wait_queue()退出。

 4.(从等待队列头中)添加／移出等待队列

(1)add_wait_queue()函数： (2)remove_wait_queue()函数：

 5.等待事件：（有条件睡眠）

1)wait_event()宏：

[cpp]

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1. #define wait_event(wq, condition) /   
2.   
3. do  /   
4. if (condition) /   
5. break; /   
6. __wait_event(wq, condition); /   
7.  while (0)   
8.    
9. #define __wait_event_timeout(wq, condition, ret) /   
10.   
11. do  /   
12. DEFINE_WAIT(__wait); /   
13. /   
14. for (;;)  /   
15. prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); /   
16. if (condition) /   
17. break; /   
18. ret = schedule_timeout(ret); /   
19. if (!ret) /   
20. break; /   
21.  /   
22. finish_wait(&wq, &__wait); /   
23.  while (0)   

 在等待会列中睡眠直到condition为真。在等待的期间，进程会被置为TASK_UNINTERRUPTIBLE进入睡眠，直到condition变量变为真。每次进程被唤醒的时候都会检查condition的值.

(2)wait_event_interruptible()函数:

和wait_event()的区别是调用该宏在等待的过程中当前进程会被设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态.在每次被唤醒的时候,首先检查condition是否为真,如果为真则返回,否则检查如果进程是被信号唤醒,会返回-ERESTARTSYS错误码.如果是condition为真,则返回0.

(3)wait_event_timeout()宏:

也与wait_event()类似.不过如果所给的睡眠时间为负数则立即返回.如果在睡眠期间被唤醒,且condition为真则返回剩余的睡眠时间,否则继续睡眠直到到达或超过给定的睡眠时间,然后返回0.

(4)wait_event_interruptible_timeout()宏:

与wait_event_timeout()类似,不过如果在睡眠期间被信号打断则返回ERESTARTSYS错误码.

(5) wait_event_interruptible_exclusive()宏

同样和wait_event_interruptible()一样,不过该睡眠的进程是一个互斥进程.

 6.唤醒队列:

(1)wake_up()函数:

唤醒等待队列.可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERUPTIBLE状态的进程,和wait_event/wait_event_timeout成对使用.

2)wake_up_interruptible()函数: #define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

和wake_up()唯一的区别是它只能唤醒TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程.,与wait_event_interruptible/wait_event_interruptible_timeout/ wait_event_interruptible_exclusive成对使用.

 TASK_INTERRUPTIBLE，允许通过发送signal唤醒它（即可中断的睡眠状态）；

TASK_UNINTERRUPTIBLE，不接收任何 singal

 7.在等待队列上睡眠：（无条件睡眠，老内核使用，新内核建议不用）

 (1)sleep_on()函数:

该函数的作用是定义一个等待队列(wait)，并将当前进程添加到等待队列中(wait)，然后将当前进程的状态置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，并将等待队列(wait)添加到等待队列头(q)中。之后就被挂起直到资源可以获取，才被从等待队列头(q)中唤醒，从等待队列头中移出。在被挂起等待资源期间，该进程不能被信号唤醒。

(2)sleep_on_timeout()函数：

 与sleep_on()函数的区别在于调用该函数时，如果在指定的时间内(timeout)没有获得等待的资源就会返回。实际上是调用schedule_timeout()函数实现的。值得注意的是如果所给的睡眠时间(timeout)小于0，则不会睡眠。该函数返回的是真正的睡眠时间。

 (3)interruptible_sleep_on()函数：

该函数和sleep_on()函数唯一的区别是将当前进程的状态置为TASK_INTERRUPTINLE，这意味在睡眠如果该进程收到信号则会被唤醒。

(4)interruptible_sleep_on_timeout()函数：

类似于sleep_on_timeout()函数。进程在睡眠中可能在等待的时间没有到达就被信号打断而被唤醒，也可能是等待的时间到达而被唤醒。

来源： <http://blog.csdn.net/funy_liu/article/details/5321147>