linux内核部件分析（十一）——waitqueue与线程的阻塞

    当你必须一个复杂的系统，协调系统的方方面面，灵活地支持各种机制和策略，即使很简单的问题也会变得很复杂。linux绝对就是这样一个复杂的系统。所以我们要理解它，尽量从原理的角度去理解事务的处理流程，尽量避免各种细枝末节的干扰，尽量规避那些足以压垮自己的庞然大物。（尽管细致末节和庞然大物很可能就是linux闪光的地方，但我们还是小心为上。）

原理

    现在我们来考虑linux中线程的阻塞。它的原理很简单。我们有一个要阻塞的线程A和要唤醒它的线程B(当然也可以是中断处理例程ISR)，有一个两者共知的等待队列Q（也许这个等待队列属于一个信号量什么的）。首先是线程A阻塞，要加入等待队列Q，需要先申请一个队列节点N，节点N中包含指向线程A的线程控制块(TCB)的指针，然后A就可以将自己的线程状态设为阻塞，并调用schedule()将自己踢出CPU的就绪队列。过了一定时间，线程B想要唤醒等待队列Q中的线程，它只需要获得线程A的TCB指针，将线程A状态设为就绪即可。等线程A恢复运行，将节点N退出等待队列Q，完成整个从阻塞到恢复的流程。

    原理讲起来总是没意思的，下面我们还是看代码吧。我们规避复杂的任务状态转换和调度的内容，即使对等待队列的分析，也是按照从基础到扩展的顺序。代码出现在三个地方：include/linux/wait.h , kernel/wait.c, kernel/sched.c。不用说wait.h是头文件，wait.c是实现的地方，而sched.c则体现了waitqueue的一种应用（实现completion）。为了更好地分析completion，我们还需要include/linux/completion.h。

waitqueue实现

我们仍然先看数据结构。

struct __wait_queue_head {
	spinlock_t lock;
	struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

typedef int (*wait_queue_func_t)(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int flags, void *key);

int default_wake_function(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int flags, void *key);

struct __wait_queue {
	unsigned int flags;
#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE	0x01
	void *private;
	wait_queue_func_t func;
	struct list_head task_list;
};

typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

其中，wait_queue_head_t 就是等待队列头，wait_queue_t 就是队列节点。

wait_queue_head_t 包括一个自旋锁lock，还有一个双向循环队列task_list，这在我们的预料之内。

wait_queue_t 则包括较多，我们先来剧透一下。

    flags变量只可能是0或者WQ_FLAG_EXCLUSIVE。flags标志只影响等待队列唤醒线程时的操作，置为WQ_FLAG_EXCLUSIVE则每次只允许唤醒一个线程，为0则无限制。

    private指针，其实就是指向TCB的指针。

    func是一个函数指针，指向用于唤醒队列中线程的函数。虽然提供了默认的唤醒函数default_wake_function，但也允许灵活的设置队列的唤醒函数。

    task_list是一个双向循环链表节点，用于链入等待队列的链表。

依照旧例，waitqueue在数据结构之后为我们提供了丰富的初始化函数。因为太多了，我们只好分段列出。

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

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)					\
	wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

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

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
	wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

这是用宏定义，在声明变量时进行的初始化。

void __init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q, struct lock_class_key *key)
{
	spin_lock_init(&q->lock);
	lockdep_set_class(&q->lock, key);
	INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);
}

#define init_waitqueue_head(q)				\
	do {