wait_queue机制浅析

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#链表 #数据结构 #linux

wait_queue机制是Linux内核中用于任务调度的重要组件，它允许任务在等待特定事件发生时进入休眠状态，节省CPU资源。当事件触发时，通过wake_up函数能够唤醒等待的任务。wait_event函数会检查条件，若不满足则将任务挂起，而wake_up则唤醒等待链表上的任务。此机制涉及的数据结构包括wait_queue_head（事件链表）和wait_queue_entry（任务等待项）。理解wait_queue涉及到的任务状态转换、链表操作以及中断处理等核心概念。

wait_queue机制浅析

在内核中，如果一个任务需要等待一个事件，如何实现当事件未发生时该任务睡眠节省CPU资源，当事件发生时任务及时被唤醒继续工作呢？wait_event/wake_up机制是一个不错的选择。下面这个场景展示了wait_queue的基本用法

void taskA(void) {
    /* do_something */
    ....

    /* 如果事件未发生（condition表达式不为真） taskA睡眠*/
    wait_event(wq, condition);
    
    /* do_something */
    ....
}

void taskB(void) {
    /* do_something */
    ....

    /* taskA等待的事件发生，唤醒taskA*/
    wake_up(wq, condition);
    
    /* do_something */
    ....
}

个人理解如果要浅层次的理解wait queue机制，可以简单概括为，在需要等待某个事件时，将任务挂载到等待链表上，然后使该任务随眠，切换至其他任务执行；当事件发生时，遍历该链表上的任务，将其一一从等待链表上摘除唤醒。这是wait queue机制的骨架，至于超时唤醒，条件判断等机制都是在该骨架上衍生而来。

1 数据结构

struct wait_queue_head {
	spinlock_t		lock;
	struct list_head	head;
};

struct wait_queue_entry {
    /* 配置标志 */
	unsigned int		flags;
    /* task_struct */
	void			*private;
    /* 唤醒函数 */
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;
};

wait_queue_head这个数据结构很简单，就是一个带锁的链表，wait_queue机制用这个链表来代表一个事件，所有等待这个事件的任务都会用wait_queue_entry结构体表示,并挂载到这个链表上

2 wait_event()

#define ___wait_event(wq_head, condition, state, exclusive, ret, cmd)		\
({										\
	__label__ __out;							\
	struct wait_queue_entry __wq_entry;					/* (1) */ \
	long __ret = ret;	/* explicit shadow */				\
										\
	init_wait_entry(&__wq_entry, exclusive ? WQ_FLAG_EXCLUSIVE : 0);	\
	for (;;) {								\
		long __int = prepare_to_wait_event(&wq_head, &__wq_entry, state); /* (2) */\
										\
		if (condition)		/* (3) */					\
			break;							\
										\
		if (___wait_is_interruptible(state) && __int) {			/* (4) */ \
			__ret = __int;						\
			goto __out;						\
		}								\
										\
		cmd; /* (5) */								\
	}									\
	finish_wait(&wq_head, &__wq_entry);				(6)	\
__out:	__ret;									\
})

以wait_event为例，当使用wait_event(wq_head, condition)，最终会调用___wait_event(wq_head, condition, TASK_UNINTERRUPTIBLE, 0, 0, schedule())

(1) 定义一个wait_queue_entry， 并使用init_wait_entry进行初始化；
(2) 调用prepare_to_wait_event()将wait_queue_entry挂入链表，同时将当前任务状态设置为state（一般为TASK_UNINTERRUPTIBLE或TASK_INTERRUPTIBLE），准备修眠；
(3) 如果等待的条件已被满足，结束等待，跳出循环至（6）；
(4) 如果在加入队列过程中进程（调用prepare_to_wait_event）睡眠状态被打断此处会结束等待过程；
(5) 对于wait_event接口，这个cmd是schedule()，此时任务被切走随眠
(6) 结束等待

从上述过程不难看出，等待事件condition的任务在等待条件被满足的过程中可能会被唤醒不只一次，condition不满足时，其会继续睡眠。如果这里的state被配置为TASK_INTERRUPTIBLE时，那么该进程被打断时，其会结束这个等待过程。

3 wake_up()

wake_up函数最终会调用__wake_up_common_lock()，这个函数的功能就是将等待链表上的任务一一唤醒，并将这些任务的wait_queue_entry从链表上摘下。这个函数里有一个比较有趣的机制，bookmark，正如其名书签，当wake的数目超过一个阈值WAITQUEUE_WALK_BREAK_CNT（默认是64）时，其会主动中断唤醒操作，尝试让出cpu，之后再从上次中断的地方继续唤醒。个人理解这是为了避免一次性唤醒的任务过多，一直占用CPU。