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Linux進(jìn)程的睡眠和喚醒 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(chēng)為就緒進(jìn)程，它們被放置在一個(gè)運行隊列中，一個(gè)就緒進(jìn)程的狀態(tài)標志位為T(mén)ASK_RUNNING。一旦一個(gè)運行中的進(jìn)程時(shí)間片用完， Linux內核的調度器會(huì )剝奪這個(gè)進(jìn)程對CPU的控制權，并且從運行隊列中選擇一個(gè)合適的進(jìn)程投入運行。 當然，一個(gè)進(jìn)程也可以主動(dòng)釋放CPU的控制權。函數schedule()是一個(gè)調度函數，它可以被一個(gè)進(jìn)程主動(dòng)調用，從而調度其它進(jìn)程占用CPU。一旦這個(gè)主動(dòng)放棄CPU的進(jìn)程被重新調度占用CPU，那么它將從上次停止執行的位置開(kāi)始執行，也就是說(shuō)它將從調用schedule()的下一行代碼處開(kāi)始執行。 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)程則必須從運行隊列移出，加入到一個(gè)等待隊列中，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)標志位TASK_INTERRUPTIBLE； 另一種是不可中斷的睡眠狀態(tài)，其狀態(tài)標志位為T(mén)ASK_UNINTERRUPTIBLE�？芍袛嗟乃郀顟B(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)程正在等待的系統資源或是傳遞一個(gè)信號都可以是喚醒進(jìn)程的條件。不可中斷睡眠狀態(tài)與可中斷睡眠狀態(tài)類(lèi)似，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)，也就是說(shuō)它不響應信號的喚醒。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。 在現代的Linux操作系統中，進(jìn)程一般都是用調用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，程序存儲了一份進(jìn)程結構指針sleeping_task，current 是一個(gè)宏，它指向正在執行 的進(jìn)程結構。set_current_state()將該進(jìn)程的狀態(tài)從執行狀態(tài)TASK_RUNNING 變成睡眠狀態(tài) TASK_INTERRUPTIBLE。如果schedule()是被一個(gè)狀態(tài)為T(mén)ASK_RUNNING的進(jìn)程調度，那么schedule()將調度另外一個(gè)進(jìn)程占用CPU；如果schedule()是被一個(gè)狀態(tài)為T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE的進(jìn)程調度，那么還有一個(gè)附加的步驟將被執行：當前執行的進(jìn)程在另外一個(gè)進(jìn)程被調度之前會(huì )被從運行隊列中移出，這將導致正在運行的那個(gè)進(jìn)程進(jìn)入睡眠，因為它已經(jīng)不在運行隊列中了。 我們可以使用下面的這個(gè)函數將剛才那個(gè)進(jìn)入睡眠的進(jìn)程喚醒。 wake_up_process(sleeping_task); 在調用了wake_up_process()以后，這個(gè)睡眠進(jìn)程的狀態(tài)會(huì )被設置為T(mén)ASK_RUNNING，而且調度器 會(huì )把它加入到運行隊列中去。當然，這個(gè)進(jìn)程只有在下次被調度器調度到的時(shí)候才能真正地投入運行。 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)現條件不滿(mǎn)足才進(jìn)入睡眠�？墒怯械臅r(shí)候 進(jìn)程卻會(huì )在判定條件為真后開(kāi)始睡眠，如果這樣的話(huà)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。在操作系統中，當多個(gè)進(jìn)程都企圖對共享數據進(jìn)行某種處理，而最后的結果又取決于進(jìn)程運行的順序時(shí)，就會(huì )發(fā)生競爭條件，這是操作系統中一個(gè)典型的問(wèn)題，無(wú)效喚醒恰恰就是由于競爭條件導致的。 設想有兩個(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，如果不空就對鏈 表里面的數據進(jìn)行一些操作，同時(shí)B進(jìn)程也在往這個(gè)鏈表添加節點(diǎn)。當這個(gè)鏈表是空的時(shí)候，由于無(wú)數據可操作，這時(shí)A進(jìn)程就進(jìn)入睡眠，當B進(jìn)程向鏈表里面添加了節點(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(huì )出現一個(gè)問(wèn)題，假如當A進(jìn)程執行到第3行后第4行前的時(shí)候，B進(jìn)程被另外一個(gè)處理器調度 投入運行。在這個(gè)時(shí)間片內，B進(jìn)程執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)程繼續執行，它會(huì )錯誤地認為這個(gè)時(shí)候鏈表仍然是空的，于是將自己的狀態(tài)設置為T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE然后調用schedule()進(jìn)入睡眠。由于錯過(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，因為即使鏈表中有數據需要處理，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T(mén)ASK_RUNNING的機會(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)轉變?yōu)檫\行狀態(tài)的努力沒(méi)有起到預期的作用。要解決這個(gè)問(wèn)題，必須使用一種保障機制使得判斷鏈表為空和設置進(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，也就是必須消除競爭條件產(chǎn)生的根源，這樣在這之后出現的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，重新設計一下A進(jìn)程的代碼結構，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); 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，這段代碼在測試條件之前就將當前執行進(jìn)程狀態(tài)轉設置成TASK_INTERRUPTIBLE了，并且在鏈表不為空的情況下又將自己置為T(mén)ASK_RUNNING狀態(tài)。這樣一來(lái)如果B進(jìn)程在A(yíng)進(jìn)程進(jìn)程檢查 了鏈表為空以后調用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)程又調用了schedule()，由于它現在的狀態(tài)是TASK_RUNNING，所以仍然不會(huì )被從運行隊列中移出，因而不會(huì )錯誤的進(jìn)入睡眠，當然也就避免了無(wú)效喚醒問(wèn)題。 4 Linux內核的例子 在Linux操作系統中，內核的穩定性至關(guān)重要，為了避免在Linux操作系統內核中出現無(wú)效喚醒問(wèn)題， Linux內核在需要進(jìn)程睡眠的時(shí)候應該使用類(lèi)似如下的操作： /* ‘q’是我們希望睡眠的等待隊列 */ 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)等待隊列中進(jìn)行睡眠：首先調 用DECLARE_WAITQUEUE()創(chuàng )建一個(gè)等待隊列的項，然后調用add_wait_queue()把自己加入到等待隊列中，并且將進(jìn)程的狀態(tài)設置為T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE或者TASK_INTERRUPTIBLE。然后循環(huán)檢查條件是否為真：如果是的話(huà)就沒(méi)有必要睡眠，如果條件不為真，就調用schedule()。當進(jìn)程檢查的條件滿(mǎn)足后，進(jìn)程又將自己設置為T(mén)ASK_RUNNING 并調用remove_wait_queue()將自己移出等待隊列。 從上面可以看到，Linux的內核代碼維護者也是在進(jìn)程檢查條件之前就設置進(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(kāi)始睡眠之前條件就已經(jīng)達成了，那么循環(huán)會(huì )退出并用set_current_state()將自己的狀態(tài)設置為就緒，這樣同樣保證了進(jìn)程不會(huì )存在錯誤的進(jìn)入睡眠的傾向，當然也就不會(huì )導致出現無(wú)效喚醒問(wèn)題。 下面讓我們用linux 內核中的實(shí)例來(lái)看看Linux 內核是如何避免無(wú)效睡眠的，這段代碼出自L(fǎng)inux2.6的內核(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(xiàn)程migration_thread，這個(gè)線(xiàn)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T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE后才開(kāi)始執行的。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 通過(guò)上面的討論，可以發(fā)現在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T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE，并且如果檢查的條件滿(mǎn)足的話(huà)就應該 將其狀態(tài)重新設置為T(mén)ASK_RUNNING。這樣無(wú)論進(jìn)程等待的條件是否滿(mǎn)足， 進(jìn)程都不會(huì )因為被移出就緒隊列而錯誤地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而避免了無(wú)效喚醒問(wèn)題。 |
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