Linux进程睡眠唤醒机制解析

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我们发现无效唤醒主要发生在检查条件之后和进程状态被设置为睡眠状态之前,本来B进程的 wake_up_process() 提供了一次将A进程状态置为 TASK_RUNNING 的机会,可惜这个时候A进程的状态仍然是 TASK_RUNNING,所以 wake_up_process() 将A进程状态从睡眠状态转变为运行状态的努力 没有起到预期的作用。

要解决这个问题,必须使用一种保障机制使得判断链表为空和设置进程状态为睡眠状态成为一个不可分割的步骤才行,也就是必须消除竞争条 件产生的根源,这样在这之后出现的 wake_up_process() 就可以起到唤醒状态是睡眠状态的进程的作用了。

Linux进程睡眠唤醒机制解析

找到了原因后,重新设计一下A进程的代码结构,就可以避免上面例子中的无效唤醒问题了。

unsetunsetA进程:unsetunset
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);
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可以看到,这段代码在测试条件之前就将当前执行进程状态转设置成 TASK_INTERRUPTIBLE 了,并且在链表不为空的情况下又将自己置为 TASK_RUNNING 状态。

这样一来如果B进程在A进程进程检查了链表为空以后调用 wake_up_process(),那么A进程的状态就会自动由原来 TASK_INTERRUPTIBLE 变成 TASK_RUNNING,此后即使进程又调用了 schedule(),由于它现在的状态是 TASK_RUNNING,所以仍然不会被从运行队列中移出,因而不会错误的进入睡眠,当然也就避免了无效唤醒问题。

Linux内核的例子:

在Linux操作系统中,内核的稳定性至关重要,为了避免在Linux操作系统内核中出现无效唤醒问题,Linux内核在需要进程睡眠的时候应该使用类似如下的操作:

/* q 是我们希望睡眠的等待队列 */
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
add_wait_queue(q, &wait);
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/* condition 是等待的条件 */
while (!condition) {
    schedule();
}
set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(q, &wait);
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上面的操作,使得进程通过下面的一系列步骤安全地将自己加入到一个等待队列中进行睡眠:首先调用 DECLARE_WAITQUEUE() 创建一个等待队列的项,然后调用 add_wait_queue() 把自己加入到等待队列中,并且将进程的状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE 或者 TASK_INTERRUPTIBLE。

然后循环检查条件是否为真:如果是的话就没有必要睡眠,如果条件不为真,就调用 schedule()。当进程检查的条件满足后,进程又将自己设置为 TASK_RUNNING 并调用 remove_wait_queue() 将自己移出等待队列。

从上面可以看到,Linux的内核代码维护者也是在进程检查条件之前就设置进程的状态为睡眠状态,然后才循环检查条件。如果在进程开始睡眠之前条件就已经达成了,那么循环会退出并用 set_current_state() 将自己的状态设置为就绪,这样同样保证了进程不会存在错误的进入睡眠的倾向,当然也就不会导致出现无效唤醒问题。

下面让我们用 Linux 内核中的实例来看看其是如何避免无效睡眠的,这段代码出自 Linux2.6 的内核 (/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;
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上面的这些代码属于迁移服务线程 migration_thread,这个线程不断地检查 kthread_should_stop(),直到 kthread_should_stop() 返回 1 它才可以退出循环,也就是说只要 kthread_should_stop() 返回 0 该进程就会一直睡眠。

从代码中我们可以看出,检查 kthread_should_stop() 确实是在进程的状态被置为 TASK_INTERRUPTIBLE 后才开始执行的。因此,如果在条件检查之后但是在 schedule() 之前有其他进程试图唤醒它,那么该进程的唤醒操作不会失效。

小结:

通过上面的讨论,可以发现在 Linux 中避免进程的无效唤醒的关键是在进程检查条件之前就将进程的状态置为 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE,并且如果检查的条件满足的话就应该将其状态重新设置为 TASK_RUNNING。

这样无论进程等待的条件是否满足,进程都不会因为被移出就绪队列而错误地进入睡眠状态,从而避免了无效唤醒问题。

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