解析Linux内核的同步与互斥机制(一)

源出处：http://www.startos.com/linux/tips/2011011921499.html

1 休眠与同步

　　一个驱动当它无法立刻满足请求应当如何响应? 一个对 read 的调用可能当没有数据时到来, 而以后会期待更多的数据。或者一个进程可能试图写, 但是你的设备没有准备好接受数据, 因为你的输出缓冲满了。调用进程往往不关心这种问题; 程序员只希望调用 read 或 write 并且使调用返回, 在必要的工作已完成后. 这样, 在这样的情形中。驱动应当(缺省地)阻塞进程, 使它进入睡眠直到请求可继续。

　　进程被置为休眠，意味着它被标识为处于一个特殊的状态并且从调度器的运行队列中移走。直到发生某些事情改变了那个状态，否则这个进程将不被任何 CPU调度运行。

　　安全地进入休眠的两条规则：

　　1) 永远不要在原子上下文中进入休眠。

　　当驱动在持有一个自旋锁、seqlock或者 RCU 锁时不能睡眠;

　　关闭中断也不能睡眠;

　　持有一个信号量时休眠是合法的，但你应当仔细查看代码：如果代码在持有一个信号量时睡眠，任何其他的等待这个信号量的线程也会休眠。因此发生在持有信号量时的休眠必须短暂，而且决不能阻塞那个将最终唤醒你的进程。

　　2) 当进程被唤醒，重新检查其所需资源。

　　它并不知道休眠了多长时间以及休眠时发生什么;也不知道是否另有进程也在休眠等待同一事件，且那个进程可能在它之前醒来并获取了所等待的资源。所以不能对唤醒后的系统状态做任何的假设，并必须重新检查等待条件来确保正确的响应。

　　除非确信其他进程会在其他地方唤醒休眠的进程，否则也不能睡眠。使进程可被找到意味着：需要维护一个称为等待队列的数据结构。它是一个进程链表，其中饱含了等待某个特定事件的所有进程。在 Linux 中， 一个等待队列由一个wait_queue_head_t 结构体来管理。

　　2 休眠的基础

　　2.1 wait_queue系列数据结构

　　2.1.1 wait_queue_head_t

　　\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;

　　它包含一个自旋锁和一个链表。这个链表是一个等待队列入口。

　　关于自定义结构体的风格，若需要提供别名，则原始类型前面加”__”或者“tag_”，表示其为内部数据类型，对外是不可见的。typedef之后的类型为了和原始类型分开一般会在后面添加“_t”，表示是typedef的，对外使用。

　　#define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) { \

　　.lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock)， \

　　.task_list = { &(name).task_list， &(name).task_list } \

　　}

　　因为Linux内核对于链表的遍历方式的问题，通常一个双向循环链表中有一个头节点，其与其他节点的结构不一样，并且通常无有效信息。此处的等待队列头有两个域：

　　1) 操作循环链表的互斥锁;

　　2) 嵌入到等待队列头中的链表头。

　　为了用“.”域的形式初始化成员不能采用单独的初始化锁和链表头部的宏，但可以采用声明一个结构体类型的宏，如 __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock);.task_list的初始化应该采用LIST_HEAD_INIT宏的，这样提高了可移植性。定义等待队列头部的同时，初始化了其成员，尤其是链表头的初始化是添加后续等待队列的前提。

　　#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \

　　wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

　　定义一个等待队列头同时分配内存并进行初始化。对外的接口。

　　extern void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);

　　void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)

　　{

　　spin_lock_init(&q->lock);

　　INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);

　　}

　　动态初始化一个已经分配了内存的 wait_queue_head_t结构。当wait_queue_head_t类型成员内嵌到其他结构体中时需要采用此方法，而不能采用 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD全局或在栈中定义初始化一个wait_queue_head_t结构。

　　2.1.2 wait_queue_t

　　struct __wait_queue {

　　unsigned int flags; //在等待队列上唤醒时是否具备排他性

　　#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01

　　void *private;

　　wait_queue_func_t func; //从等待队列中唤醒进程时执行的统一操作，将进程更改为可运行状态，具体谁运行将由调度策略决定

　　struct list_head task_list; //与该等待队列对应的链表

　　};

　　/*Macros for declaration and initialisaton of the datatypes*/

　　#define __WAITQUEUE_INITIALIZER(name， tsk) { \

　　.private = tsk， \

　　.func = default_wake_function， \

　　.task_list = { NULL， NULL } \

　　}

　　GNU语法中对于结构体成员赋初值采用了域的形式，如“.private =”，其好处在于：

　　a) 可以选择性的对部分成员赋值。当结构体成员变量较多而大部分无须初始值时，此方法显得尤为重要，因此减少了不必要的赋值。

　　b) 赋值顺序与数据结构定义中成员的顺序无关，因此若结构体成员顺序变化，初始化部分不会受到任何影响。

　　c) 各个域之间用“，”分隔，最后一个无“，”。

　　#define DECLARE_WAITQUEUE(name， tsk) \

　　wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name， tsk)