1 Linux 進(jìn)程的睡眠和喚醒
在 Linux 中,僅等待 CPU 時(shí)間的進(jìn)程稱為就緒進(jìn)程,它們被放置在一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列中,一個(gè)就緒進(jìn)程的狀 態(tài)標(biāo)志位為 TASK_RUNNING。一旦一個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程時(shí)間片用完, Linux 內(nèi)核的調(diào)度器會(huì)剝奪這個(gè)進(jìn)程對(duì) CPU 的控制權(quán),并且從運(yùn)行隊(duì)列中選擇一個(gè)合適的進(jìn)程投入運(yùn)行。
當(dāng)然,一個(gè)進(jìn)程也可以主動(dòng)釋放 CPU 的控制權(quán)。函數(shù) schedule() 是一個(gè)調(diào)度函數(shù),它可以被一個(gè)進(jìn)程主動(dòng)調(diào)用,從而調(diào)度其它進(jìn)程占用 CPU。一旦這個(gè)主動(dòng)放棄 CPU 的進(jìn)程被重新調(diào)度占用 CPU,那么它將從上次停止執(zhí)行的位置開始執(zhí)行,也就是說(shuō)它將從調(diào)用 schedule() 的下一行代碼處開始執(zhí)行。
有時(shí)候,進(jìn)程需要等待直到某個(gè)特定的事件發(fā)生,例如設(shè)備初始化完成、I/O 操作完成或定時(shí)器到時(shí)等。在這種情況下,進(jìn)程則必須從運(yùn)行隊(duì)列移出,加入到一個(gè)等待隊(duì)列中,這個(gè)時(shí)候進(jìn)程就進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。
Linux 中的進(jìn)程睡眠狀態(tài)有兩種:一種是可中斷的睡眠狀態(tài),其狀態(tài)標(biāo)志位
TASK_INTERRUPTIBLE;
另一種是不可中斷 的睡眠狀態(tài),其狀態(tài)標(biāo)志位為 TASK_UNINTERRUPTIBLE。可中斷的睡眠狀態(tài)的進(jìn)程會(huì)睡眠直到某個(gè)條件變?yōu)檎?,比如說(shuō)產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷、釋放 進(jìn)程正在等待的系統(tǒng)資源或是傳遞一個(gè)信號(hào)都可以是喚醒進(jìn)程的條件。不可中斷睡眠狀態(tài)與可中斷睡眠狀態(tài)類似,但是它有一個(gè)例外,那就是把信號(hào)傳遞到這種睡眠 狀態(tài)的進(jìn)程不能改變它的狀態(tài),也就是說(shuō)它不響應(yīng)信號(hào)的喚醒。不可中斷睡眠狀態(tài)一般較少用到,但在一些特定情況下這種狀態(tài)還是很有用的,比如說(shuō):進(jìn)程必須等 待,不能被中斷,直到某個(gè)特定的事件發(fā)生。
在現(xiàn)代的 Linux 操作系統(tǒng)中,進(jìn)程一般都是用調(diào)用 schedule() 的方法進(jìn)入睡眠狀態(tài)的,下面的代碼演示了如何讓正在運(yùn)行的進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
sleeping_task = current;
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule();
func1();
/* Rest of the code ... */
在第一個(gè)語(yǔ)句中,程序存儲(chǔ)了一份進(jìn)程結(jié)構(gòu)指針 sleeping_task,current 是一個(gè)宏,它指向正在執(zhí)行的進(jìn)程結(jié)構(gòu)。set_current_state() 將該進(jìn)程的狀態(tài)從執(zhí)行狀態(tài) TASK_RUNNING 變成睡眠狀態(tài)TASK_INTERRUPTIBLE。 如果 schedule() 是被一個(gè)狀態(tài)為TASK_RUNNING 的進(jìn)程調(diào)度,那么 schedule() 將調(diào)度另外一個(gè)進(jìn)程占用 CPU;如果 schedule() 是被一個(gè)狀態(tài)為 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的進(jìn)程調(diào)度,那么還有一個(gè)附加的步驟將被執(zhí)行:當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程在另外一個(gè)進(jìn)程被調(diào)度之前會(huì)被從運(yùn)行隊(duì)列中移出,這將導(dǎo)致正在運(yùn)行的那個(gè)進(jìn)程進(jìn)入睡眠,因?yàn)?它已經(jīng)不在運(yùn)行隊(duì)列中了。
我們可以使用下面的這個(gè)函數(shù)將剛才那個(gè)進(jìn)入睡眠的進(jìn)程喚醒。
wake_up_process(sleeping_task);
在調(diào)用了 wake_up_process() 以后,這個(gè)睡眠進(jìn)程的狀態(tài)會(huì)被設(shè)置為 TASK_RUNNING,而且調(diào)度器會(huì)把它加入到運(yùn)行隊(duì)列中去。當(dāng)然,這個(gè)進(jìn)程只有在下次被調(diào)度器調(diào)度到的時(shí)候才能真正地投入運(yùn)行。
2 無(wú)效喚醒
幾乎在所有的情況下,進(jìn)程都會(huì)在檢查了某些條件之后,發(fā)現(xiàn)條件不滿足才進(jìn)入睡眠。可是有的時(shí)候進(jìn)程卻會(huì)在 判定條件為真后開始睡眠,如果這樣的話進(jìn)程就會(huì)無(wú)限期地休眠下去,這就是所謂的無(wú)效喚醒問(wèn)題。在操作系統(tǒng)中,當(dāng)多個(gè)進(jìn)程都企圖對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理,而 最后的結(jié)果又取決于進(jìn)程運(yùn)行的順序時(shí),就會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)條件,這是操作系統(tǒng)中一個(gè)典型的問(wèn)題,無(wú)效喚醒恰恰就是由于競(jìng)爭(zhēng)條件導(dǎo)致的。
設(shè)想有兩個(gè)進(jìn)程 A 和 B,A 進(jìn)程正在處理一個(gè)鏈表,它需要檢查這個(gè)鏈表是否為空,如果不空就對(duì)鏈表里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些操作,同時(shí) B 進(jìn)程也在往這個(gè)鏈表添加節(jié)點(diǎn)。當(dāng)這個(gè)鏈表是空的時(shí)候,由于無(wú)數(shù)據(jù)可操作,這時(shí) A 進(jìn)程就進(jìn)入睡眠,當(dāng) B 進(jìn)程向鏈表里面添加了節(jié)點(diǎn)之后它就喚醒 A 進(jìn)程,其代碼如下:
A 進(jìn)程:
1 spin_lock(&list_lock);
2if(list_empty(&list_head)) {
3 spin_unlock(&list_lock);
4 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
5 schedule();
6 spin_lock(&list_lock);
7 }
8
9/* Rest of the code ... */
10 spin_unlock(&list_lock);
B 進(jìn)程:
100 spin_lock(&list_lock);
101 list_add_tail(&list_head, new_node);
102 spin_unlock(&list_lock);
103 wake_up_process(processa_task);
這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題,假如當(dāng) A 進(jìn)程執(zhí)行到第 3 行后第 4 行前的時(shí)候,B 進(jìn)程被另外一個(gè)處理器調(diào)度投入運(yùn)行。在這個(gè)時(shí)間片內(nèi),B 進(jìn)程執(zhí)行完了它所有的指令,因此它試圖喚醒 A 進(jìn)程,而此時(shí)的 A 進(jìn)程還沒(méi)有進(jìn)入睡眠,所以喚醒操作無(wú)效。在這之后,A 進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行,它會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為這個(gè)時(shí)候鏈表仍然是空的,于是將自己的狀態(tài)設(shè)置為 TASK_INTERRUPTIBLE 然后調(diào)用 schedule() 進(jìn)入睡 眠。由于錯(cuò)過(guò)了 B 進(jìn)程喚醒,它將會(huì)無(wú)限期的睡眠下去,這就是無(wú)效喚醒問(wèn)題,因?yàn)榧词规湵碇杏袛?shù)據(jù)需要處理,A 進(jìn)程也還是睡眠了。
3 避免無(wú)效喚醒
如何避免無(wú)效喚醒問(wèn)題呢?我們發(fā)現(xiàn)無(wú)效喚醒主要發(fā)生在檢查條件之后和進(jìn)程狀態(tài)被設(shè)置為睡眠狀態(tài)之前, 本來(lái) B 進(jìn)程的 wake_up_process() 提供了一次將 A 進(jìn)程狀態(tài)置為 TASK_RUNNING 的機(jī)會(huì),可惜這個(gè)時(shí)候 A 進(jìn)程的狀態(tài)仍然是 TASK_RUNNING,所以 wake_up_process() 將 A 進(jìn)程狀態(tài)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)的努力 沒(méi)有起到預(yù)期的作用。要解決這個(gè)問(wèn)題,必須使用一種保障機(jī)制使得判斷鏈表為空和設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)為睡眠狀態(tài)成為一個(gè)不可分割的步驟才行,也就是必須消除競(jìng)爭(zhēng)條 件產(chǎn)生的根源,這樣在這之后出現(xiàn)的 wake_up_process () 就可以起到喚醒狀態(tài)是睡眠狀態(tài)的進(jìn)程的作用了。找到了原因后,重新設(shè)計(jì)一下 A 進(jìn)程的代碼結(jié)構(gòu),就可以避免上面例子中的無(wú)效喚醒問(wèn)題了。
A 進(jìn)程:
1 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2 spin_lock(&list_lock);
3if(list_empty(&list_head)) {
4 spin_unlock(&list_lock);
5 schedule();
6 spin_lock(&list_lock);
7 }
8 set_current_state(TASK_RUNNING);
9
10/* Rest of the code ... */
11 spin_unlock(&list_lock);
可以看到,這段代碼在測(cè)試條件之前就將當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)設(shè)置成 TASK_INTERRUPTIBLE 了,并且在鏈表不為空的情況下又將自己置為 TASK_RUNNING 狀態(tài)。這樣一來(lái)如果 B 進(jìn)程在 A 進(jìn)程進(jìn)程檢查了鏈表為空以后調(diào)用 wake_up_process(),那么 A 進(jìn)程的狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)由原來(lái) TASK_INTERRUPTIBLE變成 TASK_RUNNING,此后即使進(jìn)程又調(diào)用了 schedule(),由于它現(xiàn)在的狀態(tài)是 TASK_RUNNING,所以仍然不會(huì)被從運(yùn)行隊(duì)列中移出,因而不會(huì)錯(cuò)誤的進(jìn)入睡眠,當(dāng)然也就避免了無(wú)效喚醒問(wèn)題。
4 Linux 內(nèi)核的例子
在 Linux 操作系統(tǒng)中,內(nèi)核的穩(wěn)定性至關(guān)重要,為了避免在 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核中出現(xiàn)無(wú)效喚醒問(wèn)題,Linux 內(nèi)核在需要進(jìn)程睡眠的時(shí)候應(yīng)該使用類似如下的操作:
/* ‘q’是我們希望睡眠的等待隊(duì)列 */
DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);
add_wait_queue(q, &wait);
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/* 或 TASK_INTERRUPTIBLE */
while(!condition) /* ‘condition’ 是等待的條件 */
schedule();
set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(q, &wait);
上面的操作,使得進(jìn)程通過(guò)下面的一系列步驟安全地將自己加入到一個(gè)等待隊(duì)列中進(jìn)行睡眠:首先調(diào)用 DECLARE_WAITQUEUE () 創(chuàng)建一個(gè)等待隊(duì)列的項(xiàng),然后調(diào)用 add_wait_queue() 把自己加入到等待隊(duì)列中,并且將進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為TASK_INTERRUPTIBLE 或者 TASK_INTERRUPTIBLE。然后循環(huán)檢查條件是否為真:如果是的話就沒(méi)有必要睡眠,如果條件不為真,就調(diào)用 schedule()。當(dāng)進(jìn)程 檢查的條件滿足后,進(jìn)程又將自己設(shè)置為 TASK_RUNNING 并調(diào)用 remove_wait_queue() 將自己移出等待隊(duì)列。
從上面可以看到,Linux 的內(nèi)核代碼維護(hù)者也是在進(jìn)程檢查條件之前就設(shè)置進(jìn)程的狀態(tài)為睡眠狀態(tài),然后才循環(huán)檢查條件。如果在進(jìn)程開始睡眠之前條件就已經(jīng)達(dá)成了,那么循環(huán)會(huì)退出并用 set_current_state() 將自己的狀態(tài)設(shè)置為就緒,這樣同樣保證了進(jìn)程不會(huì)存在錯(cuò)誤的進(jìn)入睡眠的傾向,當(dāng)然也就不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)效喚醒問(wèn)題。
下面讓我們用 linux 內(nèi)核中的實(shí)例來(lái)看看 Linux 內(nèi)核是如何避免無(wú)效睡眠的,這段代碼出自 Linux2.6 的內(nèi)核 (linux-2.6.11/kernel/sched.c: 4254):
4253/* Wait for kthread_stop */
4254 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
4255while (!kthread_should_stop()) {
4256 schedule();
4257 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
4258 }
4259 __set_current_state(TASK_RUNNING);
4260return0;
上面的這些代碼屬于遷移服務(wù)線程 migration_thread,這個(gè)線程不斷地檢查 kthread_should_stop(),
直 到 kthread_should_stop() 返回 1 它才可以退出循環(huán),也就是說(shuō)只要 kthread_should_stop() 返回 0 該進(jìn)程就會(huì)一直睡 眠。從代碼中我們可以看出,檢查 kthread_should_stop() 確實(shí)是在進(jìn)程的狀態(tài)被置為 TASK_INTERRUPTIBLE 后才開始執(zhí)行 的。因此,如果在條件檢查之后但是在 schedule() 之前有其他進(jìn)程試圖喚醒它,那么該進(jìn)程的喚醒操作不會(huì)失效。
小結(jié)
通過(guò)上面的討論,可以發(fā)現(xiàn)在 Linux 中避免進(jìn)程的無(wú)效喚醒的關(guān)鍵是在進(jìn)程檢查條件之前就將進(jìn)程的狀態(tài)置為 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE,并且如果檢查的條件滿足的話就應(yīng)該將其狀態(tài)重新設(shè)置為 TASK_RUNNING。這樣無(wú)論進(jìn)程等待的條件是否滿足, 進(jìn)程都不會(huì)因?yàn)楸灰瞥鼍途w隊(duì)列而錯(cuò)誤地進(jìn)入睡眠狀態(tài),從而避免了無(wú)效喚醒問(wèn)題。
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Linux
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原文標(biāo)題:關(guān)于 Linux 進(jìn)程的睡眠和喚醒 ,來(lái)看這篇就夠了~
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