內核等待隊列機制介紹

接下來，我要跟各位介紹一下 wait_queue 的用法，以及用一個例子來說明如何使用 wait_queue。最后，我會帶各位去 trace 一下 wait_queue 的原始程序代碼，看看 wait_queue 是如何做到的。

我想有件事要先提及的是 Linux 在 user space 跟在 kernel space 上的差異。我們知道 Linux 是 multi-tasking 的環(huán)境，同時可以有很多人執(zhí)行很多的程序。這是從 user 的觀點來看的。如果就 kernel 的觀點來看，是沒有所謂的 multi-tasking 的。在 kernel 里，只有 single-thread。也就是說，如果你的 kernel code 正在執(zhí)行，那系統(tǒng)里只有那部分在執(zhí)行。不會有另一部分的 kernel code 也在運作。當然，這是指 single processor 的情況下，如果是 SMP 的話，那我就不清楚了。我想很多人都在 Windows 3.1 下寫過程序，在那種環(huán)境下寫程序，每一個程序都必須適當?shù)膶?CPU 讓給別的程序使用。如果有個程序里面有一個

while (1);

的話，那保證系統(tǒng)就停在那里了。這種的多任務叫做 non-preemptive。它多任務的特性是由各個程序相互合作而造成的。在 Linux 的 user space 下，則是所謂的 preemptive，各個 process 喜歡執(zhí)行什么就執(zhí)行什么，就算你在你的程序里加上 while(1); 這一行也不會影響系統(tǒng)的運作。反正時間到了，系統(tǒng)自動就會將你的程序停住，讓別的程序去執(zhí)行。這是在 user space 的情況下，在 kernel 這方面，就跟 Windows 3.1 程序是一樣的。在 kernel 里，你必須適當?shù)膶?CPU 的執(zhí)行權釋放出來。如果你在 kernel里加入 while(1); 這一行。那系統(tǒng)就會跟 Windows 3.1 一樣?？ㄔ谀抢铩．斎焕?，我是沒試過這樣去改 kernel，有興趣的人可以去試試看，如果有不同的結果，請記得告訴我。

假設我們在 kernel 里產(chǎn)生一個 buffer，user 可以經(jīng)由 read，write 等 system call 來讀取或寫資料到這個 buffer 里。如果有一個 user 寫資料到 buffer 時，此時 buffer 已經(jīng)滿了。那請問你要如何去處理這種情形呢 ? 第一種，傳給 user 一個錯誤訊息，說 buffer 已經(jīng)滿了，不能再寫入。第二種，將 user 的要求 block 住，等有人將 buffer 內容讀走，留出空位時，再讓 user 寫入資料。但問題來了，你要怎么將 user 的要求 block 住。難道你要用

while ( is_full );
write_to_buffer;

這樣的程序代碼嗎? 想想看，如果你這樣做會發(fā)生什么事? 第一，kernel會一直在這個 while 里執(zhí)行。第二個，如果 kernel 一直在這個 while 里執(zhí)行，表示它沒有辦法去 maintain系統(tǒng)的運作。那此時系統(tǒng)就相當于當?shù)袅恕Ｔ谶@里 is_full 是一個變量，當然，你可以讓 is_full 是一個 function，在這個 function里會去做別的事讓 kernel 可以運作，那系統(tǒng)就不會當。這是一個方式。但是，如果我們使用 wait_queue 的話，那程序看起來會比較漂亮，而且也比較讓人了解，如下所示:

struct wait_queue *wq = NULL; /* global variable */
while ( is_full ) {
interruptible_sleep_on( &wq );
}
write_to_buffer();

interruptible_sleep_on( &wq ) 是用來將目前的 process，也就是要求寫資料到 buffer 的 process放到 wq 這個 wait_queue 里。在 interruptible_sleep_on 里，則是最后會呼叫 schedule() 來做 schedule 的動作，也就是去找另一個 process 來執(zhí)行以維持系統(tǒng)的運作。當執(zhí)行完 interruptible_sleep_on 之后，要求 write 的 process 就會被 block 住。那什么時候會恢復執(zhí)行呢 ? 這個 process 之所以會被 block 住是因為 buffer 的空間滿了，無法寫入。但是如果有人將 buffer 的資料讀取掉，則 buffer 就有空間可以讓人寫入。所以，有關于叫醒 process 的動作應該是在 read buffer 這方面的程序代碼做的。

extern struct wait_queue *wq;
if ( !is_empty ) {
read_from_buffer();
wake_up_interruptible( &wq );
}
....

以上的程序代碼應該要放在 read buffer 這部分的程序代碼里，當 buffer 有多余的空間時,我們就呼叫 wake_up_interruptible( &wq ) 來將掛在 wq 上的所有 process 叫醒。請記得，我是說將 wq 上的所有 process 叫醒，所以，如果如果有10個 process 掛在 wq 上的話，那這 10 個都會被叫醒。之后，至于誰先執(zhí)行。則是要看 schedule 是怎么做的。就是因為這 10 個都會被叫醒。如果 A 先執(zhí)行，而且萬一很不湊巧的，A 又把 buffer 寫滿了，那其它 9 個 process 要怎么辦呢? 所以在 write buffer 的部分，需要用一個 while 來檢查 buffer 目前是否滿了.如果是的話，那就繼續(xù)掛在 wq 上面.

上面所談的就是 wait_queue 的用法。很簡單不是嗎? 接下來，我會再介紹一下 wait_queue 提供那些 function 讓我們使用。讓我再重申一次。wait_queue 應設為 global variable，比方叫 wq，只要任何的 process 想將自己掛在上面，就可以直接叫呼叫 sleep_on 等 function。要將 wq 上的 process 叫醒。只要呼叫 wake_up 等 function 就可以了.

就我所知，wait_queue 提供4個 function 可以使用，兩個是用來將 process 加到 wait_queue 的:

sleep_on( struct wait_queue **wq );
interruptible_sleep_on( struct wait_queue **wq );

另外兩個則是將process從wait_queue上叫醒的。

wake_up( struct wait_queue **wq );
wake_up_interruptible( struct wait_queue **wq );

我現(xiàn)在來解釋一下為什么會有兩組。有 interruptible 的那一組是這樣子的。當我們去 read 一個沒有資料可供讀取的 socket 時，process 會 block 在那里。如果我們此時按下 Ctrl+C，那 read() 就會傳回 EINTR。像這種的 block IO 就是使用 interruptible_sleep_on() 做到的。也就是說，如果你是用 interruptible_sleep_on() 來將 process 放到 wait_queue 時，如果有人送一個 signal 給這個 process，那它就會自動從 wait_queue 中醒來。但是如果你是用 sleep_on() 把 process 放到 wq 中的話，那不管你送任何的 signal 給它，它還是不會理你的。除非你是使用 wake_up() 將它叫醒。sleep 有兩組。wake_up 也有兩組。wake_up_interruptible() 會將 wq 中使用 interruptible_sleep_on() 的 process 叫醒。至于 wake_up() 則是會將 wq 中所有的 process 叫醒。包括使用 interruptible_sleep_on() 的 process。