等待队列的原理与源码分析

等待队列（wait queue）用于使进程带等待某一特定的事件发生，而无需频繁的轮询操作，进程在等待时间内睡眠，在等待的事件发生时由内核自动唤醒。

一、 等待队列相关数据结构
每一个等待队列都由两部分组成：等待队列头（struct wait_queue_head_t）和等待队列成员(struct wait_queue)。

struct __wait_queue_head {

spinlock_t lock; /*因为等待队列可以在中断时随时修改，因此设置一个自旋锁保证一致性*/

struct list_head task_list;

};

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t

struct __wait_queue {

unsigned int flags; /*指明等待的进程是互斥进程还是非互斥进程*/

#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01

void *private; /*指向任务的task_struct*/

wait_queue_func_t func;

struct list_head task_list;

};

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t

最后形成的结果就是一个等待队列头串起多个等待队列成员，如图1所示：



等待队列的使用分为以下两部分：
（1）为使当前进程在一个等待队列中睡眠，需要调用wait_event(或某个等价函数)，此后，进程进入睡眠，将控制权交给调度器。以块设备为例，当内核向块设备发出请求后，因为数据传输不会立即发生，因此进程睡眠
（2）相对应的，是当数据到达后，必须调用wake_up函数（或某个等价函数）来唤醒等待队列中睡眠的进程

二、等待队列相关的接口函数
1. 声明和初始化相关的接口
（1）静态初始化一个等待队列实例: DEFINE_WAIT(&wq)

#define DEFINE_WAIT_FUNC(name, function) /

wait_queue_t name = { /

.private = current, /

.func = function, /

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

}

#define DEFINE_WAIT(name) DEFINE_WAIT_FUNC(name, autoremove_wake_function)

autoremove_wake_function是默认的唤醒函数：

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;

}

其主要功能是唤醒睡眠进程，并从等待队列链表上将这个等待队列成员删除。
（2）动态声明和初始化一个等待队列

struct wait_queue_t myqueue;

init_waitqueue_entry(&myqueue, tsk);

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)

{

q->flags = 0;

q->private = p;

q->func = default_wake_function;

}

2. 使进程在等待队列上睡眠相关接口
（1）将进程加入某个等待队列链表

void 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)) /*判断当前等待队列是否已经被加入过某个链表，如果没有将wait加入q*/

__add_wait_queue(q, wait);

set_current_state(state); /*加入等待队列后，进程的状态需要按要求改变*/

spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

}

另外还有一个添加函数，不过这个函数同常不会直接使用：

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);

}

比较常用的几个宏：

（1）wait_event:将当前进程加入指定的等待队列列表wq，因为在smp的环境下，condition在任何地方都有可能改变，因此，在检查前首先检查 等待条件有没有改变，如果没有改变才会真正加入，如果改变了就可以直接退出。当prepare_to_wait加入等待队列后，再去检查等待状态有没有改变，如果没有改变，那么当前进程就应该放弃CPU了，调用schedule()。

#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)

（2）wait_event_interruptible(wq, conditon):设置进程的状态为TASK_INTERRUPTIBLE，因此，进程除了当喊醒条件变化时被唤醒外，还可以通过接收信号而被唤醒。

（3）wait_event_timeout():等待满足的条件为指定的时间后就可以被唤醒，防止了永久等待

（4）wait_evnt_interruptible_timeout()：是（2）和（3）的结合体。

3. 等待队列上进程唤醒相关的接口

有睡眠就必须要唤醒，但是不要求是一种一对一的配对行为，下面列举了比较常用的唤醒相关的宏：

（1）wake_up(x)

#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) /*mode表示要唤醒的进程的状态*/

{

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 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;

/*执行工作队列处理函数，并选择执行多少个独占的进程，需要注意的是独占进程被添加到了工作队列的尾端，因此，会首先处理普通的进程，最后才去处理独占进程，nr_exclusive就是用来解决“惊群”问题的*/

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

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

break;

}

}

（2）其他唤醒宏：

#define wake_up_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)

#define wake_up_all(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)

#define wake_up_locked(x) __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL)

#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)

#define wake_up_interruptible_all(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)

#define wake_up_interruptible_sync(x) __wake_up_sync((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1)