Linux進(jìn)程的睡眠和喚醒
Linux進(jìn)程的睡眠和喚醒
在Linux中,僅等待CPU時間的進(jìn)程稱為就緒進(jìn)程,它們被放置在一個運行隊列中,一個就緒進(jìn)程的狀 態(tài)標(biāo)志位為 TASK_RUNNING
。一旦一個運行中的進(jìn)程時間片用完, Linux 內(nèi)核的調(diào)度器會剝奪這個進(jìn)程對CPU的控制權(quán),并且從運行隊列中選擇一個合適的進(jìn)程投入運行。
當(dāng)然,一個進(jìn)程也可以主動釋放CPU的控制權(quán)。函數(shù) schedule()
是一個調(diào)度函數(shù),它可以被一個進(jìn)程主動調(diào)用,從而調(diào)度其它進(jìn)程占用 CPU。一旦這個主動放棄 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。
有時候,進(jìn)程需要等待直到某個特定的事件發(fā)生,例如設(shè)備初始化完成、I/O 操作完成或定時器到時等。在這種情況下,進(jìn)程則必須從運行隊列移出,加入到一個等待隊列中,這個時候進(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)程會睡眠直到某個條件變?yōu)檎妫热缯f產(chǎn)生一個硬件中斷、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)類似,但是它有一個例外,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),也就是說它不響應(yīng)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:進(jìn)程必須等 待,不能被中斷,直到某個特定的事件發(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 ... */
在第一個語句中,程序存儲了一份進(jìn)程結(jié)構(gòu)指針 sleeping_task
,current
是一個宏,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()
是被一個狀態(tài)為 TASK_RUNNING
的進(jìn)程調(diào)度,那么 schedule()
將調(diào)度另外一個進(jìn)程占用CPU。
如果 schedule()
是被一個狀態(tài)為 TASK_INTERRUPTIBLE
或 TASK_UNINTERRUPTIBLE
的進(jìn)程調(diào)度,那么還有一個附加的步驟將被執(zhí)行:當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程在另外一個進(jìn)程被調(diào)度之前會被從運行隊列中移出,這將導(dǎo)致正在運行的那個進(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函數(shù)將剛才那個進(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行隊列中去。當(dāng)然,這個進(jìn)程只有在下次被調(diào)度器調(diào)度到的時候才能真正地投入運行。
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,發(fā)現(xiàn)條件不滿足才進(jìn)入睡眠。可是有的時候進(jìn)程卻會在判定條件為真后開始睡眠,如果這樣的話進(jìn)程就會無限期地休眠下去,這就是所謂的無效喚醒問題。
在操作系統(tǒng)中,當(dāng)多個進(jìn)程都企圖對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理,而 最后的結(jié)果又取決于進(jìn)程運行的順序時,就會發(fā)生競爭條件,這是操作系統(tǒng)中一個典型的問題,無效喚醒恰恰就是由于競爭條件導(dǎo)致的。
設(shè)想有兩個進(jìn)程A和B,A進(jìn)程正在處理一個鏈表,它需要檢查這個鏈表是否為空,如果不空就對鏈表里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些操作,同時B進(jìn)程也在往這個鏈表添加節(jié)點。當(dāng)這個鏈表是空的時候,由于無數(shù)據(jù)可操作,這時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)一個問題,假如當(dāng)A進(jìn)程執(zhí)行到第3行后第4行前的時候,B進(jìn)程被另外一個處理器調(diào)度投入運行。在這個時間片內(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,它會錯誤地認(rèn)為這個時候鏈表仍然是空的,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。由于錯過了B進(jìn)程喚醒,它將會無限期的睡眠下去,這就是無效喚醒問題,因為即使鏈表中有數(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,可惜這個時候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\行狀態(tài)的努力 沒有起到預(yù)期的作用。
要解決這個問題,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(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:
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(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)就會自動由原來 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
,所以仍然不會被從運行隊列中移出,因而不會錯誤的進(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等待隊列中進(jìn)行睡眠:首先調(diào)用 DECLARE_WAITQUEUE()
創(chuàng)建一個等待隊列的項,然后調(diào)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(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)程不會存在錯誤的進(jìn)入睡眠的傾向,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):
/* Wait for kthread_stop */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
while (!kthread_should_stop()) {
schedule();
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
}
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return 0;
上面的這些代碼屬于遷移服務(wù)線程 migration_thread
,這個線程不斷地檢查 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)程就會一直睡眠。
從代碼中我們可以看出,檢查 kthread_should_stop()
確實是在進(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),從而避免了無效喚醒問題。
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