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)列中撮慨，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)間片用完苟弛， Linux內(nèi)核的調(diào)度器會剝奪這個(gè)進(jìn)程對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)行阁将。
當(dāng)然膏秫，一個(gè)進(jìn)程也可以主動釋放CPU的控制權(quán)。函數(shù)schedule()是一個(gè)調(diào)度函數(shù)做盅，它可以被一個(gè)進(jìn)程主動調(diào)用缤削，從而調(diào)度其它進(jìn)程占用CPU。一旦這個(gè)主動放棄CPU的進(jìn)程被重新調(diào)度占用CPU吹榴，那么它將從上次停止執(zhí)行的位置開始執(zhí)行亭敢，也就是說它將從調(diào)用schedule()的下一行代碼處開始執(zhí)行。
有時(shí)候图筹，進(jìn)程需要等待直到某個(gè)特定的事件發(fā)生帅刀，例如設(shè)備初始化完成让腹、I/O 操作完成或定時(shí)器到時(shí)等。在這種情況下扣溺，進(jìn)程則必須從運(yùn)行隊(duì)列移出骇窍，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)锥余。
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)像鸡，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)程會睡眠直到某個(gè)條件變?yōu)檎婀。热缯f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)信號都可以是喚醒進(jìn)程的條件志群。不可中斷睡眠狀態(tài)與可中斷睡眠狀態(tài)類似着绷，但是它有一個(gè)例外，那就是把信號傳遞到這種睡眠狀態(tài)的進(jìn)程不能改變它的狀態(tài)锌云，也就是說它不響應(yīng)信號的喚醒荠医。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)還是很有用的桑涎，比如說：進(jìn)程必須等待彬向，不能被中斷，直到某個(gè)特定的事件發(fā)生攻冷。
在現(xiàn)代的Linux操作系統(tǒng)中娃胆，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)等曼。
sleeping_task = current;
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule();
func1();
/* Rest of the code ... */
在第一個(gè)語句中里烦，程序存儲了一份進(jìn)程結(jié)構(gòu)指針 sleeping_task，current 是一個(gè)宏禁谦，它指向正在執(zhí)行的進(jìn)程結(jié)構(gòu)胁黑。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)度州泊，那么schedule()將調(diào)度另外一個(gè)進(jìn)程占用CPU丧蘸；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)度之前會被從運(yùn)行隊(duì)列中移出遥皂，這將導(dǎo)致正在運(yùn)行的那個(gè)進(jìn)程進(jìn)入睡眠力喷，因?yàn)樗呀?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)程喚醒渴肉。
??? wake_up_process(sleeping_task);
在調(diào)用了wake_up_process()以后冗懦，這個(gè)睡眠進(jìn)程的狀態(tài)會被設(shè)置為TASK_RUNNING，而且調(diào)度器會把它加入到運(yùn)行隊(duì)列中去仇祭。當(dāng)然披蕉，這個(gè)進(jìn)程只有在下次被調(diào)度器調(diào)度的時(shí)候才能真正地投入運(yùn)行。
2?? 無效喚醒
幾乎在所有的情況下，進(jìn)程都會在檢查了某些條件之后没讲，發(fā)現(xiàn)條件不滿足才進(jìn)入睡眠眯娱。可是有的時(shí)候進(jìn)程卻會在判定條件為真后開始睡眠爬凑，如果這樣的話進(jìn)程就會無限期地休眠下去徙缴，這就是所謂的無效喚醒問題。在操作系統(tǒng)中嘁信，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程都企圖對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理于样，而最后的結(jié)果又取決于進(jìn)程運(yùn)行的順序時(shí)，就會發(fā)生競爭條件潘靖，這是操作系統(tǒng)中一個(gè)典型的問題穿剖，無效喚醒恰恰就是由于競爭條件導(dǎo)致的。
設(shè)想有兩個(gè)進(jìn)程 A和B卦溢，A進(jìn)程正在處理一個(gè)鏈表糊余，它需要檢查這個(gè)鏈表是否為空，如果不空就對鏈表里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些操作单寂，同時(shí)B進(jìn)程也在往這個(gè)鏈表添加節(jié)點(diǎn)贬芥。當(dāng)這個(gè)鏈表是空的時(shí)候，由于無數(shù)據(jù)可操作宣决，這時(shí)A進(jìn)程就進(jìn)入睡眠蘸劈，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);
2 if(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);
這里會出現(xiàn)一個(gè)問題尊沸，假如當(dāng)A進(jìn)程執(zhí)行到第3行后第4行前的時(shí)候昵时，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)椒丧，B進(jìn)程執(zhí)行完了它所有的指令壹甥，因此它試圖喚醒A進(jìn)程，而此時(shí)的A進(jìn)程還沒有進(jìn)入睡眠壶熏，所以喚醒操作無效句柠。在這之后，A進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行棒假，它會錯(cuò)誤地認(rèn)為這個(gè)時(shí)候鏈表仍然是空的溯职，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)過了B進(jìn)程喚醒帽哑，它將會無限期的睡眠下去谜酒，這就是無效喚醒問題，因?yàn)榧词规湵碇杏袛?shù)據(jù)需要處理妻枕，A 進(jìn)程也還是睡眠了僻族。
3?? 避免無效喚醒
如何避免無效喚醒問題呢粘驰？我們發(fā)現(xiàn)無效喚醒主要發(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)會述么，可惜這個(gè)時(shí)候A進(jìn)程的狀態(tài)仍然是 TASK_RUNNING蝌数，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)的努力沒有起到預(yù)期的作用。要解決這個(gè)問題度秘，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顶伞，也就是必須消除競爭條件產(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)程的作用了剑梳。
找到了原因后唆貌，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效喚醒問題了垢乙。
A進(jìn)程:
1 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2 spin_lock(&list_lock);
3 if(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);
可以看到挠锥，這段代碼在測試條件之前就將當(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)侨赡。這樣一來如果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)就會自動由原來TASK_INTERRUPTIBLE
變成TASK_RUNNING粱侣，此后即使進(jìn)程又調(diào)用了schedule()羊壹，由于它現(xiàn)在的狀態(tài)是TASK_RUNNING，所以仍然不會被從運(yùn)行隊(duì)列中移出齐婴，因而不會錯(cuò)誤的進(jìn)入睡眠油猫，當(dāng)然也就避免了無效喚醒問題。
4 Linux內(nèi)核的例子
在Linux操作系統(tǒng)中柠偶，內(nèi)核的穩(wěn)定性至關(guān)重要情妖，為了避免在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中出現(xiàn)無效喚醒問題，
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);
上面的操作诱担，使得進(jìn)程通過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)毡证，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蔫仙。然后循環(huán)檢查條件是否為真：如果是的話就沒有必要睡眠料睛，如果條件不 為真，就調(diào)用schedule()摇邦。當(dāng)進(jìn)程檢查的條件滿足后恤煞，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。
從上面可以看到施籍，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)居扒，
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)成了丑慎，那么循環(huán)會退出并用set_current_state()將自己的狀態(tài)設(shè)置為就緒喜喂，這樣同樣保證了進(jìn)程不會存在錯(cuò)誤的進(jìn)入睡眠的傾向瓤摧，當(dāng)然也就不會導(dǎo)致出現(xiàn)無效喚醒問題。
下面讓我們用linux 內(nèi)核中的實(shí)例來看看Linux 內(nèi)核是如何避免無效睡眠的夜惭，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);
4255 while (!kthread_should_stop()) {
4256 schedule();
4257 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
4258 }
4259 __set_current_state(TASK_RUNNING);
4260 return 0;
上面的這些代碼屬于遷移服務(wù)線程migration_thread姻灶，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)诈茧，也就是說只要kthread_should_stop()返回0該進(jìn)程就會一直 睡眠产喉。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) 行的敢会。因此曾沈，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)程的喚醒操作不會失效鸥昏。
小結(jié)
通過上面的討論塞俱，可以發(fā)現(xiàn)在Linux 中避免進(jìn)程的無效喚醒的關(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吏垮。這樣無論進(jìn)程等待的條件是否滿足障涯， 進(jìn)程都不會因?yàn)楸灰瞥鼍途w隊(duì)列而錯(cuò)誤地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而避免了無效喚醒問題膳汪。
