Linux等待队列wait_queue_head_t和wait_queue_t

Linux等待队列wait_queue_head_t和wait_queue_t

August 18, 2015 7:46 PM

【整理自】http://blog.csdn.net/luoqindong/article/details/17840095

等待队列在Linux内核中有着举足轻重的作用，很多Linux驱动程序或多或少都涉及到了等待队列。因此，对于Linux内核驱动程序来说，掌握等待队列是必须课之一。 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接合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。它有两种数据结构： 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”。它通过一个双链表把等待task的头和等待的进程列表链接起来。下面具体介绍。

定义

头文件： /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;

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。

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. struct list_head task_list;
   双向循环链表，存放等待的进程。

操作

1. 定义并初始化

(1)

wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

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。

(2)

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue);

定义并初始化，相当于(1)。

(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设置为tsk。wait_queue_t类型定义如下：

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

typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

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(0×01)是互斥进程。等待队列 wait_queue_t 和等待对列头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 fastcall 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);
}
EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue);

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 fastcall 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);
}
EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue_exclusive);

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。

(2)remove_wait_queue()函数：

void fastcall 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);
}
EXPORT_SYMBOL(remove_wait_queue);

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(wq, condition)                     \
do {                                    \
    DEFINE_WAIT(__wait);                        \
                                    \
    for (;;) {                          \
        prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);    \
        if (condition)                      \
            break;                      \
        schedule();                     \
    }                               \
    finish_wait(&wq, &__wait);                  \
} while (0)

(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_UNINTERRUPTIBLE | TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

/**
 * __wake_up - wake up threads blocked on a waitqueue.
 * @q: the waitqueue
 * @mode: which threads
 * @nr_exclusive: how many wake-one or wake-many threads to wake up
 */
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);
}

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_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)

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 fastcall __sched sleep_on(wait_queue_head_t *q)
{
    SLEEP_ON_VAR

    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;

    SLEEP_ON_HEAD
    schedule();
    SLEEP_ON_TAIL
}

EXPORT_SYMBOL(sleep_on);


#define SLEEP_ON_VAR                    \
    unsigned long flags;                \
    wait_queue_t wait;              \
    init_waitqueue_entry(&wait, current);


#define SLEEP_ON_HEAD                   \
    spin_lock_irqsave(&q->lock,flags);      \
    __add_wait_queue(q, &wait);         \
    spin_unlock(&q->lock);

#define SLEEP_ON_TAIL                   \
    spin_lock_irq(&q->lock);            \
    __remove_wait_queue(q, &wait);          \
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);

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 fastcall __sched sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout)
{
    SLEEP_ON_VAR

    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;

    SLEEP_ON_HEAD
    timeout = schedule_timeout(timeout);
    SLEEP_ON_TAIL

    return timeout;
}

(3)interruptible_sleep_on()函数：

void fastcall __sched interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
{
    SLEEP_ON_VAR

    current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;

    SLEEP_ON_HEAD
    schedule();
    SLEEP_ON_TAIL
}

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 fastcall __sched sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout)
{
    SLEEP_ON_VAR

    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;

    SLEEP_ON_HEAD
    timeout = schedule_timeout(timeout);
    SLEEP_ON_TAIL

    return 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，不过是小有诧异而已。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。