Linux内核的等待队列

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。等待队列在源代码树include/linux/wait.h中，这是一个通过list_head连接的典型双循环链表，如下图所示。

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"。由于我们只需要对队列进行添加和删除操作，并不会修改其中的对象（等待队列项），因此，我们只需要提供一把保护整个基础设施和所有对象的锁，这把锁保存在等待队列头中，为wq_lock_t类型。在实现中，可以支持读写锁（rwlock）或自旋锁（spinlock）两种类型，通过一个宏定义来切换。如果使用读写锁，将wq_lock_t定义为rwlock_t类型；如果是自旋锁，将wq_lock_t定义为spinlock_t类型。无论哪种情况，分别相应设置wq_read_lock、wq_read_unlock、 wq_read_lock_irqsave、wq_read_unlock_irqrestore、wq_write_lock_irq、 wq_write_unlock、wq_write_lock_irqsave和wq_write_unlock_irqrestore等宏。

一、定义：

/include/linux/wait.h

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

二、作用：

在内核里面，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理、进程同步、定时等场合。可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。它是以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中的异步事件通知机制，同步对系统资源的访问等。

三、字段详解：

1、spinlock_t lock;
在对task_list与操作的过程中，使用该锁实现对等待队列的互斥访问。
2、srtuct list_head_t task_list;
双向循环链表，存放等待的进程。

四、操作：

1、定义并初始化：

(1) 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。

wait_queue_head_t my_queue;init_waitqueue_head(&my_queue);

(2) 定义并初始化，相当于(1)。

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue);

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

(3) 定义等待队列：

DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk);

注意此处是定义一个wait_queue_t类型的变量name，并将其private域设置为tsk。wait_queue_t类型定义如下：

struct __wait_queue {unsigned int flags;#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE0x01void *private;wait_queue_func_t func;struct list_head task_list;};

其中flags域指明该等待的进程是互斥进程还是非互斥进程。其中0是非互斥进程，WQ_FLAG_EXCLUSIVE(0x01)是互斥进程。等待队列(wait_queue_t)和等待队列头(wait_queue_head_t)的区别是等待队列是等待队列头的成员。也就是说等待队列头的task_list域链接的成员就是等待队列类型的(wait_queue_t)。

2、(从等待队列头中)添加／移出等待队列：

(1) add_wait_queue()函数：

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);}

设置等待的进程为非互斥进程，并将其添加进等待队列头(q)的队头中。

void add_wait_queue_exclusive(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_tail(q, wait);spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}

该函数也和add_wait_queue()函数功能基本一样，只不过它是将等待的进程(wait)设置为互斥进程，并加入队尾。

(2) remove_wait_queue()函数：

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait){unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);__remove_wait_queue(q, wait);spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}

在等待的资源或事件满足时，进程被唤醒，使用该函数被从等待头中删除。

3、等待事件：

(1) wait_event()宏：

#define wait_event(wq, condition) \do {\if (condition) \break;\__wait_event(wq, condition);\} while (0)#define __wait_event_timeout(wq, condition, ret)\do {\DEFINE_WAIT(__wait);\\for (;;) {\prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);\if (condition)\break;\ret = schedule_timeout(ret);\if (!ret)\break;\}\finish_wait(&wq, &__wait);\} 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。

4、唤醒队列:

(1) wake_up()函数:

#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){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;if (curr->func(curr, mode, wake_flags, key) &&(flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)break;}}

其中：q是等待队列，mode指定进程的状态，用于控制唤醒进程的条件，nr_exclusive表示将要唤醒的设置了WQ_FLAG_EXCLUSIVE标志的进程的数目。然后扫描链表，调用func，直至没有更多的进程被唤醒，或者被唤醒的的独占进程数目已经达到规定数目。
nr_exclusive为0可以wakeup所有的everything tasks；否则，只能唤醒所有的all the non-exclusive tasks和nr_exclusive个exclusive task。
curr->func()是等待队列初始化的时候填充的default_wake_function()函数，用于wakeup current task。
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。

(3)

#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)

这些也基本都和wake_up/wake_up_interruptible一样。

5、在等待队列上睡眠：

(1) sleep_on()函数:

void __sched sleep_on(wait_queue_head_t *q){sleep_on_common(q, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);}static long __schedsleep_on_common(wait_queue_head_t *q, int state, long timeout){unsigned long flags;wait_queue_t wait;init_waitqueue_entry(&wait, current);__set_current_state(state);spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);__add_wait_queue(q, &wait);spin_unlock(&q->lock);timeout = schedule_timeout(timeout);spin_lock_irq(&q->lock);__remove_wait_queue(q, &wait);spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);return timeout;}

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：

long __sched sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout){return sleep_on_common(q, TASK_UNINTERRUPTIBLE, timeout);}

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：

void __sched interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q){sleep_on_common(q, TASK_INTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);}

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：

long __schedinterruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout){return sleep_on_common(q, TASK_INTERRUPTIBLE, timeout);}

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。
以上四个函数都是让进程在等待队列上睡眠，不过是小有差异而已。在实际用的过程中，根据需要选择合适的函数使用就是了。例如在对软驱数据的读写中，如果设备没有就绪则调用sleep_on()函数睡眠直到数据可读(可写)，在打开串口的时候，如果串口端口处于关闭状态则调用interruptible_sleep_on()函数尝试等待其打开。在声卡驱动中，读取声音数据时，如果没有数据可读，就会等待足够常的时间直到可读取。