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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，也就是說它將從調(diào)用schedule()的下一行代碼處開始執(zhí)行。

(資料圖片)

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)檎妫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(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：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();/*Restofthecode...*/

在第一個(gè)語句中，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)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。

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。

無效喚醒

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)無限期地休眠下去，這就是所謂的無效喚醒問題。

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)典型的問題，無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:

1spin_lock(&list_lock);2if(list_empty(&list_head)){3spin_unlock(&list_lock);4set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);5schedule();6spin_lock(&list_lock);7}89/*Restofthecode...*/10spin_unlock(&list_lock);

B進(jìn)程:

100spin_lock(&list_lock);101list_add_tail(&list_head,new_node);102spin_unlock(&list_lock);103wake_up_process(processa_task);

這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，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)程還沒有進(jìn)入睡眠，所以喚醒操作無效。

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)過了B進(jìn)程喚醒，它將會(huì)無限期的睡眠下去，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，A 進(jìn)程也還是睡眠了。

避免無效喚醒

如何避免無效喚醒問題呢？

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(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 沒有起到預(yù)期的作用。

要解決這個(gè)問題，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效喚醒問題了。

A進(jìn)程:

1set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);2spin_lock(&list_lock);3if(list_empty(&list_head)){4spin_unlock(&list_lock);5schedule();6spin_lock(&list_lock);7}8set_current_state(TASK_RUNNING);910/*Restofthecode...*/11spin_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)然也就避免了無效喚醒問題。

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);/*condition是等待的條件*/while(!condition){schedule();}set_current_state(TASK_RUNNING);remove_wait_queue(q,&wait);

上面的操作，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)，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)無效喚醒問題。

下面讓我們用 Linux 內(nèi)核中的實(shí)例來看看其是如何避免無效睡眠的，這段代碼出自 Linux2.6 的內(nèi)核 (/kernel/sched.c):

/*Waitforkthread_stop*/set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);while(!kthread_should_stop()){schedule();set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);}__set_current_state(TASK_RUNNING);return0;

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)

通過上面的討論，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。

這樣無論進(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)，從而避免了無效喚醒問題。

審核編輯：湯梓紅