Linux等待队列原理与实现

当进程要获取某些资源（例如从网卡读取数据）的时候，但资源并没有准备好（例如网卡还没接收到数据），这时候内核必须切换到其他进程运行，直到资源准备好再唤醒进程。

waitqueue (等待队列) 就是内核用于管理等待资源的进程，当某个进程获取的资源没有准备好的时候，可以通过调用 add_wait_queue() 函数把进程添加到 waitqueue 中，然后切换到其他进程继续执行。当资源准备好，由资源提供方通过调用 wake_up() 函数来唤醒等待的进程。

等待队列初始化

要使用 waitqueue 首先需要声明一个 wait_queue_head_t 结构的变量，wait_queue_head_t 结构定义如下：

struct __wait_queue_head {
    spinlock_t lock;
    struct list_head task_list;
};

waitqueue 本质上是一个链表，而 wait_queue_head_t 结构是 waitqueue 的头部，lock 字段用于保护等待队列在多核环境下数据被破坏，而 task_list 字段用于保存等待资源的进程列表。

可以通过调用 init_waitqueue_head() 函数来初始化 wait_queue_head_t 结构，其实现如下：

void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
{
    spin_lock_init(&q->lock);
    INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);
}

初始化过程很简单，首先调用 spin_lock_init() 来初始化自旋锁 lock，然后调用 INIT_LIST_HEAD() 来初始化进程链表。

向等待队列添加等待进程

要向 waitqueue 添加等待进程，首先要声明一个 wait_queue_t 结构的变量，wait_queue_t 结构定义如下：

typedef int (*wait_queue_func_t)(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key);

struct __wait_queue {
    unsigned int flags;
    void *private;
    wait_queue_func_t func;
    struct list_head task_list;
};

下面说明一下各个成员的作用：

flags: 可以设置为 WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示等待的进程应该独占资源（解决惊群现象）。
private: 一般用于保存等待进程的进程描述符 task_struct。
func: 唤醒函数，一般设置为 default_wake_function() 函数，当然也可以设置为自定义的唤醒函数。
task_list: 用于连接其他等待资源的进程。

可以通过调用 init_waitqueue_entry() 函数来初始化 wait_queue_t 结构变量，其实现如下：

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
{
    q->flags = 0;
    q->private = p;
    q->func = default_wake_function;
}

也可以通过调用 init_waitqueue_func_entry() 函数来初始化为自定义的唤醒函数：

static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q, wait_queue_func_t func)
{
    q->flags = 0;
    q->private = NULL;
    q->func = func;
}

初始化完 wait_queue_t 结构变量后，可以通过调用 add_wait_queue() 函数把等待进程添加到等待队列，其实现如下：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)
{
    unsigned long flags;

    wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
    __add_wait_queue(q, wait);
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}

static inline void __add_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new)
{
    list_add(&new->task_list, &head->task_list);
}

add_wait_queue() 函数的实现很简单，首先通过调用 spin_lock_irqsave() 上锁，然后调用 list_add() 函数把节点添加到等待队列即可。

wait_queue_head_t 结构与 wait_queue_t 结构之间的关系如下图：

休眠等待进程

当把进程添加到等待队列后，就可以休眠当前进程，让出CPU给其他进程运行，要休眠进程可以通过以下方式：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule();

代码 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE) 可以把当前进程运行状态设置为 可中断休眠 状态，调用 schedule() 函数可以使当前进程让出CPU，切换到其他进程执行。

唤醒等待队列

当资源准备好后，就可以唤醒等待队列中的进程，可以通过 wake_up() 函数来唤醒等待队列中的进程。wake_up() 最终会调用 __wake_up_common()，其实现如下：

static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q,
    unsigned int mode, int nr_exclusive, int sync, void *key)
{
    wait_queue_t *curr, *next;

    list_for_each_entry_safe(curr, next, &q->task_list, task_list) {
        unsigned flags = curr->flags;

        if (curr->func(curr, mode, sync, key) &&
                (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
            break;
    }
}

可以看出，唤醒等待队列就是变量等待队列的等待进程，然后调用唤醒函数来唤醒它们。