本文详细介绍了Linux中的休眠机制，包括手工休眠的步骤、独占等待的概念、唤醒的细节及简单睡眠的方法，并强调了几条重要的规则。
By: 潘云登
Date: 2009-6-3
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1. 本文内容对应《linux设备驱动程序》第六章。
2. 参考wait.h和wait.c两个文件。
3. 希望本文对您有所帮助，也欢迎您给我提意见和建议。
4. 本文包含以下内容：
² 手工休眠步骤
² 休眠的背后
² 独占等待
² 唤醒细节
² 简单睡眠
1. 首先，建立并初始化一个等待队列入口，即wait_queue_t结构。
| /*静态声明*/ DEFINE_WAIT(my_wait);
/*运行时初始化*/ wait_queue_t my_wait; init_wait(&my_wait); |
2. 然后，将等待队列入口添加到等待队列中，即wait_queue_head_t结构，并设置进程的状态。
| void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait, int state); |
其中， queue为等待队列，state是进程的新状态，为TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE。
3. 检查休眠等待的条件，确定有必要休眠后，调用schedule，让出CPU。
| if (!condition) schedule( ); |
4. 当schedule返回后，修改进程状态为TASK_RUNNING，将等待队列入口从等待队列中移出，这些都通过finish_wait完成。
| void finish_wait(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait); |
这时候，不能保证休眠等待的条件已经成立，必须再次判断是否需要重新等待。因此，一个典型的手工休眠模型如下所示：
| wait_queue_head_t queue; init_waitqueue_head(&queue);
while (!condition) { /* 步骤1 */ DEFINE_WAIT(wait);
/* 如果是非阻塞操作，无需休眠 */ if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) return -EAGAIN;
/* 步骤2 */ prepare_to_wait(&queue, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);
/* 步骤3 */ if (!condition) schedule( );
/* 步骤4 */ finish_wait(&dev->outq, &wait); } |
休眠机制与信号量机制有些类似：当一个人走到房间前，发现房间被其他人占用(休眠等待条件不成立)；于是，他在访客名单上留下个人信息 (加入等待队列)；然后去做其它事情，而不是在门外守着(让出CPU)；当房里的人出来后，便呼唤名单上的访客(唤醒)。不同之处在于：访客在名单上留下个人信息后，会敲一下门，以确认房间内的人没有离开；另外，当访客被呼唤回来后，会再次敲门，确认是否有其他访客在他之前进入了房间。
在这个机制中，等待队列和等待队列入口分别充当了名单和个人信息的角色。先来看一下它们的结构：
| struct __wait_queue_head { spinlock_t lock; struct list_head task_list; }; typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
typedef struct __wait_queue wait_queue_t; struct __wait_queue { unsigned int flags; #define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01 void *private; wait_queue_func_t func; struct list_head task_list; }; |
其中，除了保证互斥访问的自旋锁和连接结构的链表头外，最重要的信息就是访客的姓名private和联系方式func。flags就像一张VIP卡，用来标识独占等待。有趣的是，每个访客的个人信息看起来都一样，即当前进程current和回调函数autoremove_wake_function，它们在初始化时设置。
| #define DEFINE_WAIT(name) / wait_queue_t name = { / .private = current, / .func = autoremove_wake_function, / .task_list = LIST_HEAD_INIT((name).task_list), / } |
这样，prepare_to_wait只需要修改进程状态，并利用list_add方法把等待队列入口加入到等待队列的头部。然后，由finish_wait进行相反的操作。可以在<kernel/wait.c>中找到它们。
通常，所有等待队列上的进程都会在唤醒时被置为可运行状态。有时候，只有一个被唤醒的进程可以获得期望的资源，而其它的进程会再次休眠。因此，当对某个资源存在严重竞争，并且唤醒单个进程就能完整消耗该资源的时候，可以使用独占等待提高系统性能。
要使用独占等待，可以使用prepare_to_wait_exclusive函数替换prepare_to_wait。它设置等待队列入口的独占标志flags，就是前面的VIP卡J，并将进程添加到等待队列的尾部。为什么不像prepare_to_wait那样加到队列头部呢？等你看完下面的唤醒细节，也许就明白了。
| void fastcall prepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state) { …… wait->flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE; …… __add_wait_queue_tail(q, wait); …… } |
当房间里的人走出来后，他会查看名单上的访客信息，然后通过他们留下的联系方式挨个联系。这通过wake_up宏或其变种完成，而真正调用的都是__wake_up方法。
| #define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL) #define wake_up_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL) #define wake_up_all(x) __wake_up(x, TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL) #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)
void fastcall __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr_exclusive, void *key) { 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 sync, void *key) { struct list_head *tmp, *next;
list_for_each_safe(tmp, next, &q->task_list) { wait_queue_t *curr; unsigned flags; curr = list_entry(tmp, wait_queue_t, task_list); flags = curr->flags; if (curr->func(curr, mode, sync, key) && (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive) break; } } |
在__wake_up中，确切地说，应该是在__wake_up_common中，从头部开始遍历等待队列，并调用等待队列入口项初始化时指定的func回调函数，将进程设置为可运行状态，并且如果该进程具有更高的优先级，则会执行一次上下文切换以便切换到该进程。
这时候，如果有VIP访客在，则遍历会在唤醒nr_exclusive个独占等待的进程后停止。nr_exclusive根据不同的宏调用进行设置。常用的wake_up和wake_up_interruptible宏，会在唤醒队列中第一个具有WQ_FLAG_EXCLUSIVE标志的进程后停止遍历。由于独占等待入口项总是被加入到队列的尾部，因此最先加入等待队列的VIP进程会先被唤醒。此外，处于等待队列头部的非独占等待进程，在每一次wake_up的时候，都将被唤醒。
随着社会的不断进步，生产工具也得到了不断的改进。现在你不再需要手工休眠，只要调用wait_event系列宏之一，便可轻松入眠。唯一的缺憾是，无法设置独占等待。
| wait_event(queue, condition) wait_event_interruptible(queue, condition) wait_event_timeout(queue, condition, timeout) wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
#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) |
如果使用wait_event，进程被置于非中断休眠。最好的选择是使用wait_event_interruptible，它可以被信号中断。这个版本可返回一个整数值，非零值表示休眠被某个信号中断，这时驱动程序要返回-ERESTARTSYS。wait_event_timeout和wait_event_interruptible_timeout会等待限定的时间，当给定的时间到期时，它们都会返回0值，而不管condition如何求值。
在实践中，约定的做法是在使用wait_event时使用wake_up，它会唤醒所有非独占等待进程；而在使用wait_event_interruptible时使用wake_up_interruptible，它只会唤醒那些执行可中断休眠的进程。
Ø 永远不要在原子上下文中进入休眠，即不能在拥有自旋锁、seqlock或者RCU锁时休眠。
Ø 当进程被唤醒时，永远无法知道休眠了多长时间，或者休眠期间发生了什么事情。因此，对休眠后的状态不能做任何假定，必须检查以确保等待的条件真正为真。
Ø 除非知道有其他人会在其他地方唤醒我们，否则进程不能休眠。
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