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1、C 语言内核等待队列机制介绍C 语言内核等待队列机制介绍相信很多写程序的人都写过 socket 的程序。当我们 open 一个 socket 之后，接着去读取这个 socket，如果此时没有任何资料可供读取， 那 read就会block住。(这是没有加上O_NONBLOCK的情形)，直到有资料可读取才会传回来。在Linux kernel里有一个数据结构可以帮助我们做到这样的功能。这个数据结构就是这里要跟各位介绍的 wait queue。在 kernel 里，wait_queue 的应用很广，举凡 device driver semaphore 等方面都会使用到 wait_queue 来 imp
2、lement 。所以， 它算是 kernel 里蛮基本的一个数据结构。接下来，我要跟各位介绍一下wait_queue的用法，以及用一个例子来说明如何使用wait_queue。最后，我会带各位去trace 一下wait_queue 的原始程序代码，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 上的差异。我们知道Linux是 multi-tasking的环境，同时可以有很多人执行很多的程序。这是从user 的观点来看的。如果就kernel 的观点来看，是没有所谓的multi-tasking的。在kernel 里，只
3、有single-thread。也就是说，如果你的 kernel code 正在执行，那系统里只有那部分在执行。 不会有另一部分的 kernel code也在运作。当然，这是指single processor 的情况下，如果是 SMP 的话，那我就不清楚了。我想很多人都在Windows3.1 下写过程序，在那种环境下写程序，每一个程序都必须适当的将CPU 让给别的程序使用。如果有个程序里面有一个 while (1); 的话，那保证系统就停在那里了。这种的多任务叫做 non-preemptive 。它多任务的特性是由各个程序相互合作而造成的。在 Linux 的 user space 下，则是所谓的
4、preemptive，各个process 喜欢执行什么就执行什么，就算你在你的程序里加上while(1); 这一行也不会影响系统的运作。反正时间到了，系统自动就会将你的程序停住，让别的程序去执行。这是在user space 的情况下，在 kernel 这方面，就跟Windows 3.1 程序是一样的。在 kernel里，你必须适当的将CPU 的执行权释放出来。 如果你在 kernel 里加入 while(1); 这一行。那系统就会跟Windows 3.1一样。卡在那里。当然啦，我是没试过这样去改kernel，有兴趣的人可以去试试看，如果有不同的结果，请记得告诉我。假设我们在 kernel 里产
5、生一个 buffer ，user 可以经由read，write等 system call 来读取或写资料到这个buffer 里。如果有一个 user 写资料到 buffer 时，此时 buffer 已经满了。那请问你要如何去处理这种情形呢? 第一种， 传给user 一个错误讯息， 说 buffer 已经满了， 不能再写入。 第二种， 将 user 的要求 block 住，等有人将 buffer 内容读走，留出空位时，再让 user 写入资料。 但问题来了， 你要怎么将 user 的要求block 住。难道你要用while ( is_full );write_to_buffer;这样的程序代码吗
6、? 想想看，如果你这样做会发生什么事 ? 第一， kernel 会一直在这个while里执行。第二个，如果kernel 一直在这个while 里执行，表示它没有办法去maintain 系统的运作。那此时系统就相当于当掉了。在这里is_full是一个变量，当然，你可以让is_full是一个function，在这个function里会去做别的事让kernel可以运作，那系统就不会当。这是一个方式。但是，如果我们使用wait_queue 的话，那程序看起来会比较漂亮，而且也比较让人了解，如下所示: struct wait_queue *wq = NULL; /*global variable */w
7、hile ( is_full ) interruptible_sleep_on( &wq );write_to_buffer(); interruptible_sleep_on( &wq ) 是用来将目前的 process，也就是要求写资料到 buffer 的 process 放到wq 这个wait_queue 里。在 interruptible_sleep_on里，则是最后会呼叫schedule() 来做schedule 的动作，也就是去找另一个process 来执行以维持系统的运作。当执行完interruptible_sleep_on之后，要求write 的 process 就会被bloc
8、k 住。那什么时候会恢复执行呢? 这个 process 之所以会被block 住是因为buffer 的空间满了，无法写入。但是如果有人将 buffer 的资料读取掉，则buffer 就有空间可以让人写入。 所以，有关于叫醒process 的动作应该是在 readbuffer 这方面的程序代码做的。extern struct wait_queue*wq;if ( !is_empty ) read_from_buffer();wake_up_interruptible( &wq );. 以上的程序代码应该要放在read buffer 这部分的程序代码里，当 buffer 有多余的空间时 ,我们就呼
9、叫wake_up_interruptible( &wq )来将挂在wq 上的所有process 叫醒。请记得，我是说将wq上的所有process 叫醒，所以，如果如果有 10 个 process挂在 wq上的话，那这 10 个都会被叫醒。之后，至于谁先执行。则是要看schedule 是怎么做的。就是因为这10 个都会被叫醒。如果A 先执行，而且万一很不凑巧的，A 又把buffer 写满了，那其它 9 个 process 要怎么办呢 ? 所以在 write buffer 的部分，需要用一个 while 来检查 buffer 目前是否满了 .如果是的话，那就继续挂在 wq 上面 . 上面所谈的就是
10、wait_queue 的用法。很简单不是吗? 接下来，我会再介绍一下 wait_queue 提供那些 function 让我们使用。让我再重申一次。 wait_queue 应设为 global variable ，比方叫 wq ，只要任何的process 想将自己挂在上面，就可以直接叫呼叫sleep_on 等 function 。要将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 个 function可以使用，两个是用来将process 加到wait_queue 的 : sleep_on( struct w
11、ait_queue *wq );interruptible_sleep_on( struct wait_queue *wq );另外两个则是将 process 从 wait_queue 上叫醒的。wake_up( structwait_queue *wq );wake_up_interruptible( struct wait_queue *wq );我现在来解释一下为什么会有两组。有interruptible的那一组是这样子的。当我们去read一个没有资料可供读取的socket时，process会block在那里。如果我们此时按下Ctrl+C，那read()就会传回EINTR。像这种的blo
12、ck IO就是使用interruptible_sleep_on()做到的。也就是说，如果你是用interruptible_sleep_on() 来将 process 放到 wait_queue 时，如果有人送一个 signal 给这个 process，那它就会自动从wait_queue中醒来。但是如果你是用sleep_on()把process放到wq中的话，那不管你送任何的signal给它，它还是不会理你的。除非你是使用wake_up()将它叫醒。sleep有两组。 wake_up 也有两组。 wake_up_interruptible() 会将 wq 中使用 interruptible_sleep_on() 的 process 叫醒。至于 wake_up() 则是会将 wq 中所有的 process 叫醒。包括使用interruptible_sleep_on()的 process。 在使用wait_queue 之前有一点需要特别的小心，呼叫interruptible_sleep_on()以及 sleep_on() 的 function 必须要是 reentrant。简单的说，reentrant的意思是说此function不会改变任何的global
