手把手教Linux驅(qū)動——待隊列waitq

本文主要講解如何通過等待隊列實現(xiàn)對進程的阻塞。

應(yīng)用場景：

當(dāng)進程要獲取某些資源（例如從網(wǎng)卡讀取數(shù)據(jù)）的時候，但資源并沒有準(zhǔn)備好（例如網(wǎng)卡還沒接收到數(shù)據(jù)），這時候內(nèi)核必須切換到其他進程運行，直到資源準(zhǔn)備好再喚醒進程。

waitqueue (等待隊列)就是內(nèi)核用于管理等待資源的進程，當(dāng)某個進程獲取的資源沒有準(zhǔn)備好的時候，可以通過調(diào)用 add_wait_queue()函數(shù)把進程添加到 waitqueue 中，然后切換到其他進程繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)資源準(zhǔn)備好，由資源提供方通過調(diào)用 wake_up()函數(shù)來喚醒等待的進程。

定義頭文件：

#include

定義和初始化等待隊列頭（workqueue）：

靜態(tài)的,用宏：

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) 
    wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

動態(tài)的,也是用宏：

#define init_waitqueue_head(q)              
    do {                        
        static struct lock_class_key __key; 
                            
        __init_waitqueue_head((q), #q, &__key); 
    } while (0)

定義實例

wait_queue_head_t wq;
init_waitqueue_head(&wq);

阻塞接口：

wait_event(wq, condition)
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible(wq, condition)
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)
wait_event_hrtimeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible_hrtimeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible_exclusive(wq, condition)
wait_event_interruptible_locked(wq, condition)
wait_event_interruptible_locked_irq(wq, condition)
wait_event_interruptible_exclusive_locked(wq, condition)
wait_event_interruptible_exclusive_locked_irq(wq, condition)
wait_event_killable(wq, condition)
wait_event_lock_irq_cmd(wq, condition, lock, cmd)
wait_event_lock_irq(wq, condition, lock)
wait_event_interruptible_lock_irq_cmd(wq, condition, lock, cmd)
wait_event_interruptible_lock_irq(wq, condition, lock)
wait_event_interruptible_lock_irq_timeout(wq, condition, lock,  timeout)

參數(shù)

wq        定義的等待隊列頭，
condition 為條件表達式，當(dāng) wake up 后，condition 為真時，喚醒阻塞的進程，為假時，繼續(xù)睡眠。

功能說明

接口版本比較多，各自都有自己合適的應(yīng)用場合，但是常用的是前面四個。

wait_event：不可中斷的睡眠，條件一直不滿足，會一直睡眠。
wait_event_timeout：不可中斷睡眠，當(dāng)超過指定的 timeout（單位是 jiffies）時間，不管有沒有 wake up，還是條件沒滿足，都要喚醒進程，此時返回的是 0。在 timeout 時間內(nèi)條件滿足返回值為 timeout 或者 1；
wait_event_interruptible:可被信號中斷的睡眠，被信號打斷喚醒時，返回負(fù)值 -ERESTARTSYS；wake up 時，條件滿足的，返回 0。除了 wait_event 沒有返回值，其它的都有返回，有返回值的一般都要判斷返回值。如下例：

    int flag = 0;
    if(wait_event_interruptible(&wq，flag == 1))
        return -ERESTARTSYS;

wait_event_interruptible_timeout：是 wait_event_timeout 和 wait_event_interruptible_timeout 的結(jié)合版本，有它們兩個的特點。

其他的接口，用的不多，有興趣可以自己看看。

解除阻塞接口（喚醒）

接口定義：

#define wake_up(x)          __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
#define wake_up_nr(x, nr)       __wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)
#define wake_up_all(x)          __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)
#define wake_up_locked(x)       __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 1)
#define wake_up_all_locked(x)       __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 0)

#define wake_up_interruptible(x)    __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)
#define wake_up_interruptible_all(x)    __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)
#define wake_up_interruptible_sync(x)   __wake_up_sync((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1)

功能說明

wake_up：一次只能喚醒掛在這個等待隊列頭上的一個進程
wake_up_nr：一次喚起 nr 個進程（等待在同一個 wait_queue_head_t 有很多個）
wake_up_all：一次喚起所有等待在同一個 wait_queue_head_t 上所有進程
wake_up_interruptible：對應(yīng) wait_event_interruptible 版本的 wake up
wake_up_interruptible_sync：保證 wake up 的動作原子性，wake_up 這個函數(shù)，很有可能函數(shù)還沒執(zhí)行完，就被喚起來進程給搶占了，這個函數(shù)能夠保證 wak up 動作完整的執(zhí)行完成。

其他的也是與對應(yīng)阻塞接口對應(yīng)的。

使用實例

以字符設(shè)備為例，在沒有數(shù)據(jù)的時候，在 read 函數(shù)中實現(xiàn)讀阻塞，當(dāng)向內(nèi)核寫入數(shù)據(jù)時，則喚醒阻塞在該等待隊列的所有任務(wù)。

讀操作

static ssize_t hello_read(struct file *filp,char __user *buf,size_t size,loff_t *poss)  
{  
    wait_event_interruptible(rwq,flage!=0);
    ……………
    flage=0;
    wake_up_interruptible(&wwq);
    return size;  
}   

寫操作

static ssize_t hello_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t size,loff_t *poss)  
{  
wait_event_interruptible(wwq,flage!=1);
    ……………
flage=1;
wake_up_interruptible(&rwq);
    return size;  
}

如何同步支持非阻塞？

上述操作雖然實現(xiàn)了阻塞功能，但是我們在應(yīng)用程序打開一個字符設(shè)備的時候，有時候我們希望操作是非阻塞的，比如：

fd=open("/dev/hello",O_RDONLY|O_NONBLOCK); 

那么驅(qū)動如何得到這個標(biāo)記呢？

參考《手把手教 Linux 驅(qū)動 6-inode,file,file_operations 關(guān)系》，該標(biāo)記會存儲在結(jié)構(gòu)體 struct file 的 f_flags 成員中。

所以程序可以修改如下：

static ssize_t hello_read(struct file *filp,char __user *buf,size_t size,loff_t *poss)  
{  
	int ret = 0;

	if(flage==0)
	{
		if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
		{
			
		  return -EAGAIN;
		}
		wait_event_interruptible(rwq,flage!=0);
	}	
        ……………
	flage=0;
	wake_up_interruptible(&wwq);
    return size;  
}

一種靈活的添加刪除等待隊列頭中的等待隊列：

（1）定義：
靜態(tài)：

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)                    
    wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

（2）動態(tài)：

wait_queue_t wa;
init_waitqueue_entry(&wa,&tsk);

tsk 是進程結(jié)構(gòu)體，一般是 current（linux 當(dāng)前進程就是用這個獲?。＿€可以用下面的，設(shè)置自定義的等待隊列回調(diào)函數(shù),上面的是 linux 默認(rèn)的一個回調(diào)函數(shù) default_wake_function(),不過默認(rèn)的用得最多：

wait_queue_t wa;
wa->private = &tsk;
int func(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int flags, void *key)
{
    //
}
init_waitqueue_func_entry(&wa,func);

（回調(diào)有什么作用？）
用下面函數(shù)將等待隊列，加入到等待隊列頭（帶 remove 的是從工作隊列頭中刪除工作隊列）：

extern void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
extern void add_wait_queue_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
extern void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

上面的阻塞和解除阻塞接口，只能是對當(dāng)前進程阻塞 / 解除阻塞,有了這幾個靈活的接口，我們可以單獨定義一個等待隊列，只要獲取進程 task_struct 指針，我們可以將任何進程加入到這個等待隊列，然后加入到等待隊列頭，我們能將其它任何進程（不僅僅是當(dāng)前進程），掛起睡眠，當(dāng)然喚醒時，如果用 wake_up_all 版本的話，也會一同喚起。這種情況，阻塞不能用上面的接口了，我們需要用下一節(jié)講述的接口（schedule()），解除阻塞可以用 wake_up,wake_up_interruptible 等。

更高級靈活的阻塞：

阻塞當(dāng)前進程的原理：用函數(shù) set_current_state()修改當(dāng)前進程為 TASK_INTERRUPTIBLE（不可中斷睡眠）或 TASK_UNINTERRUPTIBLE（可中斷睡眠）狀態(tài)，然后調(diào)用 schedule()告訴內(nèi)核重新調(diào)度，由于當(dāng)前進程狀態(tài)已經(jīng)為睡眠狀態(tài)，自然就不會被調(diào)度。schedule()簡單說就是告訴內(nèi)核當(dāng)前進程主動放棄 CPU 控制權(quán)。這樣來，就可以說當(dāng)前進程在此處睡眠，即阻塞在這里。

在上一小節(jié)“靈活的添加刪等待隊列頭中的等待隊列”，將任意進程加入到 waitqueue，然后類似用：

task_struct *tsk;
wait_queue_t wa;
// 假設(shè) tsk 已經(jīng)指向某進程控制塊
p->state = TASK_INTERRUPTIBLE;//or TASK_UNINTERRUPTIBLE
init_waitqueue_entry(&wa,&tsk);

就能將任意進程掛起，當(dāng)然，還需要將 wa，掛到等待隊列頭，然后用 wait_event(&wa),進程就會從就緒隊列中退出，進入到睡眠隊列，直到 wake up 時，被掛起的進程狀態(tài)被修改為 TASK_RUNNING，才會被再次調(diào)度。（主要是 schedule()下面會說到）。

wait_event 實現(xiàn)原理：

先看下 wait_event 實現(xiàn)：

#define __wait_event(wq, condition)                     
do {                                    
    DEFINE_WAIT(__wait);                        
                                    
    for (;;) {                          
        prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);    
        if (condition)                      
            break;                      
        schedule();                     
    }                               
    finish_wait(&wq, &__wait);                  
} while (0)

#define wait_event(wq, condition)                   
do {                                    
    if (condition)                          
        break;                          
    __wait_event(wq, condition);                    
} while (0)

DEFINE_WAIT：

定義一個工作隊列。

prepare_to_wait：

定義：void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
功能：將工作隊列 wait 加入到工作隊列頭 q，并將當(dāng)前進程設(shè)置為 state 指定的狀態(tài)，一般是 TASK_UNINTERRUPTIBLE 或 TASK_INTERRUPTIBLE 狀態(tài)（在這函數(shù)里有調(diào)用 set_current_state）。
    第一個參數(shù)：工作隊列頭
    第二個參數(shù)：工作隊列
    第三個參數(shù)：當(dāng)前進程要設(shè)置的狀態(tài)

finish_wait：

用了 prepare_to_wait 之后，當(dāng)退出時，一定要用這個函數(shù)清空等待隊列。

功能：

該函數(shù)首先調(diào)用 prepare_to_wait，修改進程到睡眠狀態(tài)，

條件不滿足，schedule()就放棄 CPU 控制權(quán)，睡眠，

當(dāng) wakeup 的時候，阻塞在 wq（也可以說阻塞在 wait_event 處）等待隊列頭上的進程，再次得到運行，接著執(zhí)行 schedule()后面的代碼，這里，顯然是個循環(huán)，prepare_to_wait 再次設(shè)置當(dāng)前進程為睡眠狀態(tài)，然后判斷條件是否滿足，

滿足就退出循環(huán)，finish_wait 將當(dāng)前進程恢復(fù)到 TASK_RUNNING 狀態(tài)，也就意味著阻塞解除。不滿足，繼續(xù)睡下去。如此反復(fù)等待條件成立。

明白這個過程，用 prepare_to_wait 和 schedule()來實現(xiàn)更為靈活的阻塞，就很簡單了，解除阻塞和前面的一樣用 wake_up,wake_up_interruptible 等。

下面是 wake_up 和 wait_event 流程圖：

wait_event 和 wake_up 流程

獨占等待

當(dāng)調(diào)用 wake_up 時，所有等待在該隊列上的進程都被喚醒，并進入可運行狀態(tài)如果只有一個進程可獲得資源，此時，其他的進程又將再次進入休眠，如果數(shù)量很大，被稱為”瘋狂售群”。這樣會非常占用系統(tǒng)資源。

解決方法：

wait_queue_t 成員 flage 有個重要的標(biāo)志 WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示：

當(dāng)一個等待隊列入口有 WQ_FLAG_EXCLUSEVE 標(biāo)志置位, 它被添加到等待隊列的尾部 . 沒有這個標(biāo)志的入口項, 添加到開始 .
當(dāng) wake_up 被在一個等待隊列上調(diào)用, 它在喚醒第一個有 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 標(biāo)志的進程后停止 .

wait_event 默認(rèn)總是將 waitqueue 加入開始，而 wake_up 時總是一個一個的從開始處喚醒，如果不斷有 waitqueue 加入，那么最開始加入的，就一直得不到喚醒，有這個標(biāo)志，就避免了這種情況。

prepare_to_wait_exclusive()就是加入了這個標(biāo)志的。

補充

Linux 將進程狀態(tài)描述為如下五種：

1. TASK_RUNNING：可運行狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程可以被調(diào)度執(zhí)行而成為當(dāng)前進程。

2. TASK_INTERRUPTIBLE：可中斷的睡眠狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程在所需資源有效時被喚醒，也可以通過信號或定時中斷喚醒（因為有 signal_pending()函數(shù)）。

3. TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中斷的睡眠狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程僅當(dāng)所需資源有效時被喚醒。

4. TASK_ZOMBIE：僵尸狀態(tài)。表示進程結(jié)束且已釋放資源，但其 task_struct 仍未釋放。

5. TASK_STOPPED：暫停狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程通過其他進程的信號才能被喚醒

Linux 通過結(jié)構(gòu)體 task_struct 維護所有運行的線程、進程，不同狀態(tài)的任務(wù)，會由不同的隊列進行維護，schedule()函數(shù)就負(fù)責(zé)根據(jù)這些狀態(tài)的變化調(diào)度這些任務(wù)。關(guān)于進程的調(diào)度，后續(xù)會新開文章詳細(xì)介紹。

實例

下面實例主要功能是基于我們之前課程《手把手教 Linux 驅(qū)動 3- 之字符設(shè)備架構(gòu)詳解，有這篇就夠了》最后的代碼實例，在此基礎(chǔ)上增加寫阻塞的功能。

內(nèi)核中有緩沖內(nèi)存，以及是否可以訪問的標(biāo)記；

int flage=0;  //1：有數(shù)據(jù)可讀  0：無數(shù)據(jù)，不可讀
char kbuf[128];

初始狀態(tài)下 flage 為 0，沒有數(shù)據(jù)；

應(yīng)用進程讀取數(shù)據(jù)會調(diào)用到內(nèi)核函數(shù) hello_read()，如果 flage 為 1，則直接讀走數(shù)據(jù)，并將改 flage 置 1，如果 flage 為 0，則進程阻塞,直到有進程寫入數(shù)據(jù)將該 flage 置 1；

應(yīng)用進程每次寫入數(shù)據(jù)會調(diào)用到內(nèi)核函數(shù) hello_write()，如果 flage 為 0，則直接寫入數(shù)據(jù)，并設(shè)置 flage 為 1，如果為 1，則阻塞，直到有其他進程調(diào)用到讀函數(shù) hello_read()將 flage 置 0。

驅(qū)動

/********************************************* *hellodev.c *********************************************/  #include   #include   #include  #include  #include  #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include    #include   static int hello_major = 250;  static struct class *hello_class;#define  DEV_NAME "hello_cls" module_param(hello_major,int,S_IRUGO);  dev_t devno; struct cdev cdev;  int num;int flage=0;char kbuf[128];wait_queue_head_t rwq; //read wqwait_queue_head_t wwq;  //write wqint hello_open(struct inode *inode,struct file *filp)  {     return 0;  }  int hello_release(struct inode *inode,struct file *filp)  {      return 0;  }  static ssize_t hello_read(struct file *filp,char __user *buf,size_t size,loff_t *poss)  {    int ret = 0;   if(flage==0)  {    if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)    {            return -EAGAIN;    }    wait_event_interruptible(rwq,flage!=0);  }    if(copy_to_user(buf,kbuf,size))   {    return -EFAULT;  }  flage=0;  wake_up_interruptible(&wwq);    return size;  }   static ssize_t hello_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t size,loff_t *poss)  {      int ret = 0;  if(size>128||size<0)  {    return -EINVAL;  }  wait_event_interruptible(wwq,flage!=1);    if(copy_from_user(kbuf,buf,size))   {    return -EFAULT;  }  flage=1;  wake_up_interruptible(&rwq);    return size;  }   static const struct file_operations hello_fops =  {      .owner  = THIS_MODULE,      .read   = hello_read,      .write  = hello_write,      .open   = hello_open,      .release = hello_release,  };   static int hellodev_init(void)  {    int result;    int i;    struct device *hello_dev;   devno = MKDEV(hello_major,0);    if(hello_major)        result = register_chrdev_region(devno,2,"hello");    else      {        result = alloc_chrdev_region(&devno,0,2,"hello");        hello_major = MAJOR(devno);    }    if(result < 0)        return result;       cdev_init(&cdev,&hello_fops);    cdev.owner = THIS_MODULE;    cdev.ops = &hello_fops;     cdev_add(&cdev,MKDEV(hello_major,0),1);  init_waitqueue_head(&rwq);  init_waitqueue_head(&wwq);   hello_class = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);// 類名字   if (IS_ERR(hello_class)) {    printk(KERN_WARNING "class_create faihello ! n");    goto err_3;  }   hello_dev = device_create(hello_class, NULL, devno, NULL, "hello");  if (IS_ERR(hello_dev)) {    printk(KERN_WARNING "device_create faihello! n");    goto err_4;}return0; err_4:  class_destroy(hello_class);err_3:  cdev_del(&cdev);  unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major,0),2);     return 0;  }  static void hellodev_exit(void)  {   device_destroy(hello_class, devno);    class_destroy(hello_class);cdev_del(&cdev);  unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major,0),2);  }    MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("yikoulinux");module_init(hellodev_init);  module_exit(hellodev_exit);

測試程序

read.c

#include #include #include #include #include #include  int main(){  int fd= 0;  char buf[128];  int num;//  fd=open("/dev/hello",O_RDONLY); 阻塞方式讀取 fd=open("/dev/hello",O_RDONLY|O_NONBLOCK);// 非阻塞  if(fd<0)   {         printf("open memdev failed!n");         return -1;                 }       read(fd,buf,sizeof(buf));      printf("num:%sn",buf);    close(fd);  return 0;       }

write.c

#include #include #include #include #include #include int main(){  int fd =0;  char buf[128]="hello yikouLlinux";  int num;   fd=open("/dev/hello",O_RDWR);       if(fd <0)       {         printf("open device failed!n");         return -1;               }write(fd,buf,sizeof(buf));  close(fd);  return 0;       }

掌握了等待隊列的用法，后面我們就可以進行中斷的講解了。