等待队列是内核中实现进程调度的一个十分重要的数据结构，其任务是维护一个链表，链表中每一个节点都是一个PCB(进程控制块)，内核会将PCB挂在等待队列中的所有进程都调度为睡眠状态，直到某个唤醒的条件发生。应用层的阻塞IO与非阻塞IO的使用我已经在Linux I/O多路复用一文中讨论过了，本文主要讨论驱动中怎么实现对设备IO的阻塞与非阻塞读写。显然，实现这种与阻塞相关的机制要用到等待队列机制。本文的内核源码使用的是3.14.0版本
设备阻塞IO的实现
当我们读写设备文件的IO时，最终会回调驱动中相应的接口，而这些接口也会出现在读写设备进程的进程(内核)空间中，如果条件不满足，接口函数使进程进入睡眠状态，即使读写设备的用户进程进入了睡眠，也就是我们常说的发生了阻塞。In a word，读写设备文件阻塞的本质是驱动在驱动中实现对设备文件的阻塞，其读写的流程可概括如下:
1. 定义-初始化等待队列头
- //定义等待队列头
- wait_queue_head_t waitq_h;//初始化，等待队列头
- init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或//定义并初始化等待队列头
- DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(waitq_name);
上面的几条选择中，***一种会直接定义并初始化一个等待头,但是如果在模块内使用全局变量传参，用着并不方便，具体用哪种看需求。
我们可以追一下源码，看一下上面这几行都干了什么：
- //include/linux/wait.h
- struct __wait_queue_head {
- spinlock_t lock;
- struct list_head task_list;
- };
- typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
wait_queue_head_t
--36-->这个队列用的自旋锁
--27-->将整个队列"串"在一起的纽带
然后我们看一下初始化的宏:
- #define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) {
- .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),
- .task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } }
- define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
- wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()
--60-->根据传入的字符串name，创建一个名为name的等待队列头
--57-->初始化上述task_list域，竟然没有用内核标准的初始化宏，无语。。。
2. 将本进程添加到等待队列
为等待队列添加事件,即进程进入睡眠状态直到condition为真才返回。**_interruptible的版本版本表示睡眠可中断,_timeout**版本表示超时版本，超时就会返回，这种命名规范在内核API中随处可见。
- void wait_event(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_interruptible(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
这可是等待队列的核心，我们来看一下
wait_event
└── wait_event
└── _wait_event
├── abort_exclusive_wait
├── finish_wait
├── prepare_to_wait_event
└── ___wait_is_interruptible
- #define wait_event(wq, condition)
- do {
- if (condition)
- break;
- __wait_event(wq, condition);
- } while (0)
wait_event
--246-->如果condition为真，立即返回
--248-->否则调用__wait_event
- #define ___wait_event(wq,condition,state, exclusive, ret, cmd) \
- ({ \
- for (;;) { \
- long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\
- \
- if (condition) \
- break; \
- if (___wait_is_interruptible(state) && __int) { \
- __ret = __int; \
- if (exclusive) { \
- abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, \
- state, NULL); \
- goto __out; \
- } \
- break; \
- } \
- cmd; \
- } \
- finish_wait(&wq, &__wait); \
- __out: __ret; \
- })
--206-->死循环的轮询
--209-->如果条件为真，跳出循环，执行finish_wait();进程被唤醒
--212-->如果进程睡眠的方式是interruptible的，那么当中断来的时候也会abort_exclusive_wait被唤醒
--222-->如果上面两条都不满足，就会回调传入的schedule()，即继续睡眠
模板
- struct wait_queue_head_t xj_waitq_h;
- static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
- { if(!condition) //条件可以在中断处理函数中置位
- wait_event_interruptible(&xj_waitq_h,condition);
- }
- static file_operations fops = {
- .read = demo_read,
- };
- static __init demo_init(void){
- init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
- }
IO多路复用的实现
对于普通的非阻塞IO，我们只需要在驱动中注册的read/write接口时不使用阻塞机制即可，这里我要讨论的是IO多路复用，即当驱动中的read/write并没有实现阻塞机制的时候，我们如何利用内核机制来在驱动中实现对IO多路复用的支持。下面这个就是我们要用的API
- int poll(struct file *filep, poll_table *wait);void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
当应用层调用select/poll/epoll机制的时候，内核其实会遍历回调相关文件的驱动中的poll接口，通过每一个驱动的poll接口的返回值，来判断该文件IO是否有相应的事件发生，我们知道，这三种IO多路复用的机制的核心区别在于内核中管理监视文件的方式，分别是位，数组，链表，但对于每一个驱动，回调的接口都是poll。
模板
- struct wait_queue_head_t waitq_h;static unsigned int demo_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *pts){ unsigned int mask = 0;
- poll_wait(filp, &wwaitq_h, pts); if(counter){
- mask = (POLLIN | POLLRDNORM);
- } return mask;
- }static struct file_operations fops = {
- .owner = THIS_MODULE,
- .poll = demo_poll,
- };static __init demo_init(void){
- init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
- }
其他API
刚才我们讨论了如何使用等待队列实现阻塞IO，非阻塞IO，其实关于等待队列，内核还提供了很多其他API用以完成相关的操作，这里我们来认识一下
- //在等待队列上睡眠
- sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h);
- sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h);//唤醒等待的进程
- void wake_up(wait_queue_t *wqueue);
- void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);
