核心等待佇列的介紹

一．背景和意義

二.資料結構分析

三.等待佇列的操作

3.1 典型應用

3.2 將等待佇列項插入等待佇列

3.3 將等待佇列從等待佇列中刪除

3.4 將等待佇列從等待佇列中刪除

在實際程式設計中，我們會經常碰到這種場景：程序p需要等待條件c的成立，才能繼續執行某個動作。例如，當串列埠沒有資料可以讀取時，我們可以通過輪詢的方式，等到有資料來的時候，串列埠程式再去讀取。但是這種方式顯得比較笨拙，影響cpu的效能。因此，核心中提供了等待佇列的方式，即可以將程序p先掛到等待佇列q（wait_queue）上去，並將程序的狀態由running切換為睡眠狀態，主動讓出cpu，直到條件滿足時，由核心呼叫wake_up（）介面，自動喚醒q上的所有程序，這樣程序p就繼續執行。

因此，wait_queue的實現，能夠提高整個系統以及cpu執行的效率。

wait_queue使用到的資料結構很簡單，就是使用核心鍊錶，將等待同一事件的所有程序串聯起來。

第乙個資料結構是等待佇列頭：

struct wait_queue_head ;
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

等待佇列頭可以用以下api進行初始化：

wait_queue_head_t wait_queue_head;
init_waitqueue_head(&wait_queue_head);

第二個資料結構是等待佇列的佇列元素：

struct wait_queue_entry ;

這裡，睡眠程序被分成兩種，flags為1代表的是互斥程序，這些程序在喚醒時會被由選擇地喚醒；flags為0代表的是非互斥程序，喚醒時，核心將喚醒所有的非互斥程序。

當多個程序等待互斥資源時，同時喚醒所有程序將會導致又一次的競爭，而只有乙個程序會獲得互斥資源，因此其他程序又必須重新睡眠。為了避免以上的情況，才定義了互斥程序的概念，並使用flags來區分互斥程序和非互斥程序。

func欄位是程序被喚醒的方式，缺省會被初始化為default_wake_function(）。

可以使用以下api對等待佇列的佇列元素進行動態的初始化：

struct wait_queue_entry wait_entry;
init_wait(&wait_entry);

或者使用靜態的初始化方法：

define_wait(wait_entry);

以上兩種方式的結果相同，以init_wait 為例：

#define define_wait_func(name, function)                    \
struct wait_queue_entry name =
#define define_wait(name) define_wait_func(name, autoremove_wake_function)

/* 1. 定義乙個等待佇列項 */
define_wait(wait);
/* 2. 將等待佇列項wait插入等待佇列wq中，並將程序的狀態設定為interruptible */
prepare_to_wait(&wq, &wait, task_interruptible);
.../* 3. 如果期望的條件不滿足，則主動讓出cpu，切換其他程序執行 */
if (!condition)
schedule();
/* * 4. 程序被喚醒後，繼續向下執行，將程序的狀態設定為執行狀態，並將等待佇列項wait從等待佇列wq中刪除。
*/finish_wait(&wq, &wait);

一般，定義並初始化完等待佇列後，需要通過prepare_to_wait() 或者 prepare_to_wait_exclusive ()函式，將程序的狀態改變，並將其加入對應的等待佇列中：

void
prepare_to_wait(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry, int state)
export_symbol(prepare_to_wait);
void
prepare_to_wait_exclusive(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry, int state)
export_symbol(prepare_to_wait_exclusive);

從以上原始碼可以看出，prepare_to_wait() 或者 prepare_to_wait_exclusive ()函式有以下區別：

1. prepare_to_wait_exclusive ()函式會將等待佇列項對應的flags的wq_flag_exclusive使能，也就是說，通過prepare_to_wait_exclusive ()函式新增的等待佇列項，對應的程序被設定為互斥程序；而通過prepare_to_wait()新增的等待佇列項，對應的程序被設定為非互斥程序。

2. 通過prepare_to_wait()新增的非互斥等待佇列項，會被新增至等待佇列的隊頭，而通過 prepare_to_wait_exclusive ()函式新增的互斥項，會被新增至等待佇列的隊尾。

二者都會改變當前程序的狀態，由傳入的引數state 決定。

當程序被喚醒後，一般會直接呼叫finish_wait函式，將程序的狀態重新設定為running，並將該程序對應的等待佇列項從等待佇列中刪除：

void finish_wait(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry)
}

喚醒等待佇列上的程序：

一般，可以通過wake_up, wake_up_all等api對喚醒佇列上的程序進行喚醒。wake_up將會喚醒所有的非互斥程序，而只喚醒乙個互斥程序； wake_up_all將會喚醒所有的非互斥程序，和所有的互斥程序。其他api可以參看核心原始碼。

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