linux线程同步浅析——睡眠与唤醒的秘密

一个程序问题
之前写过这样一个C程序：模块维护一个工作线程、提供一组调用接口（分同步调用和异步调用）。用户调用模块提供的接口后，会向工作队列添加一个任务。然后任务由工作线程来处理。在同步调用情况下，接口调用后调用者被阻塞，等待工作线程处理完成后，将调用者唤醒。伪代码如下：
[调用接口]
add_command(cmd, pid); /* 1 */
raise(SIGSTOP); /* 2 */
get_response(cmd); /* 6 */
[工作线程]
wait_for_command(&cmd, &pid); /* 3 */
do_command(cmd); /* 4 */
kill(pid, SIGCONT); /* 5 */
调用接口向工作队列添加命令以后，向自己发送一个SIGSTOP信号，把自己挂起；工作线程处理命令完成，通过向调用者进程发送SIGCONT信号，将调用者唤醒。
流程上还是比较清晰的，但是有点想当然了。测试发现，程序的执行流程可能变成下面的情况：
[调用接口]
add_command(cmd, pid); /* 1 */
raise(SIGSTOP); /* 5 ... */
get_response(cmd);
[工作线程]
wait_for_command(&cmd, &pid); /* 2 */
do_command(cmd); /* 3 */
kill(pid, SIGCONT); /* 4 */
调用者在添加命令后，发生调度，工作线程在调用者进入睡眠之前，先处理了命令并发出唤醒信号。之后，调用者再睡眠，就没办法被唤醒了。
解决方法
直接使用信号来实现睡眠和唤醒看来是不可取的，于是想到了使用pthread的互斥机制。改写后的程序如下：
[调用接口]
add_command(cmd); /* 1 */
pthread_cond_wait(cond); /* 2 */
get_response(cmd); /* 6 */
[工作线程]
wait_for_command(&cmd, &pid); /* 3 */
do_command(cmd); /* 4 */
pthread_cond_signal(cond); /* 5 */
测试发现，这样做就不会出现由于调度而出现"先唤醒、后睡眠"的问题了。
但是，pthread条件变量是如何避免"先唤醒、后睡眠"的呢？实际上，它依然无法避免调用者在添加命令后，由于调度，造成pthread_cond_signal先于pthread_cond_wait发生的问题。但是条件变量内部记录了信号是否已发生，如果pthread_cond_signal先于pthread_cond_wait，则pthread_cond_wait将看到条件变量中记录的"信号已发生"，于是放弃睡眠。
man一下pthread_cond_signal可以看到如下流程：
[pthread_cond_wait(mutex, cond)]
value = cond->value; /* 1 */
pthread_mutex_unlock(mutex); /* 2 */
pthread_mutex_lock(cond->mutex); /* 10 */
if (value == cond->value) { /* 11 */
me->next_cond = cond->waiter;
cond->waiter = me;
pthread_mutex_unlock(cond->mutex); /* X */
unable_to_run(me); /* Y */
} else
pthread_mutex_unlock(cond->mutex); /* 12 */
pthread_mutex_lock(mutex); /* 13 */
[pthread_cond_signal(cond)]
pthread_mutex_lock(cond->mutex); /* 3 */
cond->value++; /* 4 */
if (cond->waiter) { /* 5 */
sleeper = cond->waiter; /* 6 */
cond->waiter = sleeper->next_cond; /* 7 */
able_to_run(sleeper); /* 8 */
}
pthread_mutex_unlock(cond->mutex); /* 9 */
这份伪代码中的cond->value就是用于记录"信号已发生"的变量。
深入一点
如果你足够细心，可能已经发现上面的pthread的伪代码是有问题的。在‘X'处，cond->value已经判断过了，cond->mutex也已经释放了，而unable_to_run（将进程挂起）还没运行机制。那么此时如果发生调度，pthread_cond_signal先运行了呢？是不是able_to_run（唤醒）又将发生在unable_to_run之前，而导致"先唤醒、后睡眠"呢？
这就变成了下面的流程：
[pthread_cond_wait(mutex, cond)]
value = cond->value; /* 1 */
pthread_mutex_unlock(mutex); /* 2 */
pthread_mutex_lock(cond->mutex); /* 3 */
if (value == cond->value) { /* 4 */
me->next_cond = cond->waiter;
cond->waiter = me;
pthread_mutex_unlock(cond->mutex); /* 5 */
unable_to_run(me); /* 13 ... */
} else
pthread_mutex_unlock(cond->mutex);
pthread_mutex_lock(mutex);
[pthread_cond_signal(cond)]
pthread_mutex_lock(cond->mutex); /* 6 (注意：5已经释放锁了) */
cond->value++; /* 7 */
if (cond->waiter) { /* 8 */
sleeper = cond->waiter; /* 9 */
cond->waiter = sleeper->next_cond; /* 10 */
able_to_run(sleeper); /* 11 */
}
pthread_mutex_unlock(cond->mutex); /* 12 */
这个问题实际上和文章最开始的代码一样，在"睡眠前的准备"和"进入睡眠"之间可能发生调度，从而存在"先唤醒、后睡眠"的可能性。
真的会有问题吗？其实不会，否则pthread提供这么一个不能做到同步的同步接口，实在没什么意义。其实able_to_run和unable_to_run的实现还是有讲究的，简单的睡眠和唤醒显然不能满足需要。
同步的实现
当时写程序的时候是在嵌入式linux下，uClibc库使用的pthread线程库是linuxthreads（现在主流的线程库是NPTL）。在linuxthreads中，上面提到的unable_to_run是基于sigsuspend系统调用来实现的。
在linux中，每个进程（线程）都有一个信号掩码，如果某个信号被mask掉，那么收到的这个信号就不会被处理，而是作为一个未决信号，记录在进程的控制信息（task_struct结构）中。默认情况下，linuxthreads把SIGUSER1给mask掉了。而sigsuspend的功能就是使用新的mask，并等待一个信号。收到不被mask的信号后，sigsuspend返回，并且信号掩码被还原。
这样一来，如果出现"先唤醒、后睡眠"（able_to_run先于unable_to_run被执行），则：
1.able_to_run：SIGUSER1信号被发送到目标进程上，而目标进程的SIGUSER1信号被mask掉了，于是该信号被记录在目标进程的task_struct结构中，并不被立刻处理
2.unable_to_run：调用sigsuspend，新的mask不包含SIGUSER1信号，于是记录在task_struct结构中的SIGUSER1信号被取出，sigsuspend直接返回，并不会进入睡眠
可见，sigsuspend之所以能够实现同步，就是因为它避免了"睡眠前的准备"和"进入睡眠"之间可能发生的调度（"睡眠前的准备"中的最后一步----取消mask，和"进入睡眠"，都是在这个调用中完成的），把这两个操作统一成了一个"原子操作"（对于用户态程序来说是原子的）。
再深入一点
那么，由内核实现的系统调用sigsuspend，它本身也是一个函数呀，它还是得面对"在‘睡眠前的准备'和‘进入睡眠'之间可能发生调度"的问题呀！其实不然，因为调度其本身是由内核来实现的，内核大不了就在一小段时间内不调度。
但是，上面只提到由于调度引起的"先唤醒、后睡眠"问题。然而在多处理器条件下，即将睡眠的进程和唤醒进程可能运行在不同的CPU上，即便不发生调度还是可能出现"先唤醒、后睡眠"的问题。
为了解决这个问题，内核还必须用到锁。内核通过锁来保证"睡眠前的准备"和"进入睡眠"是"原子的"。然而，锁总是要释放的，释放锁是不是应该放在睡眠以前？是不是该归为"睡眠前的准备"？于是乎，是不是又存在"在‘睡眠前的准备'和‘进入睡眠'之间被插入唤醒操作"的问题呢？
没错，如果锁一定要在睡眠以前释放，那么肯定还是存在这样的问题。但是内核不一定要在进程睡眠以前释放锁，内核可以让这个进程带着锁去睡眠。然后，当上下文切换到另一个进程之后（注意，这时还是在内核态），内核还可以为上一个进程执行一些代码，做一些切换后的清理工作。锁的释放实际上可以放在这里来做。
具体到linux内核代码，我们来看看用于唤醒的try_to_wake_up函数和用于睡眠的schedule函数（实际上该函数用于触发一次调度，在调度前如果发现当前进程状态不是RUNNING，则将其移出可执行队列，于是当前进程就睡眠了）。
[try_to_wake_up]
1.锁住被唤醒进程对应的可执行队列
2.将被唤醒进程加入该队列
3.将被唤醒进程状态设为RUNNING
4.释放锁
[schedule]
1.锁住当前进程对应的可执行队列
2.如果进程状态不为RUNNING，则将其移出队列
3.进行进程切换
4.释放锁
调用schedule函数之前，当前进程已经被设置为非RUNNING状态，很容易通过锁机制保证这个动作发生在try_to_wake_up函数被调用之前。那么，可以看到，即使是"先唤醒、后睡眠"，睡眠的进程也能被唤醒。因为"唤醒"动作将进程状态设为RUNNING了，而"睡眠"动作发现进程状态是RUNNING，则并不会真正睡眠（不会将进程移出可执行队列）。可执行队列锁保证了"唤醒"和"睡眠"两个动作是原子的，不会交叉执行。而在"睡眠"过程中，是在完成了进程切换后才释放锁。这个动作可参阅sched.c:context_switch()函数最后部分调用的finish_task_switch()函数。