linux wait函数头文件_手把手教Linux驱动9-等待队列waitq
在上一篇《手把手教Linux驅動8-Linux IO模型》我們已經了解了阻塞、非阻塞、同步和異步等相關概念，本文主要講解如何通過等待隊列實現對進程的阻塞。
應用場景：
當進程要獲取某些資源(例如從網卡讀取數據)的時候，但資源并沒有準備好(例如網卡還沒接收到數據)，這時候內核必須切換到其他進程運行，直到資源準備好再喚醒進程。
waitqueue (等待隊列) 就是內核用于管理等待資源的進程，當某個進程獲取的資源沒有準備好的時候，可以通過調用 add_wait_queue() 函數把進程添加到 waitqueue 中，然后切換到其他進程繼續執行。當資源準備好，由資源提供方通過調用 wake_up() 函數來喚醒等待的進程。
定義頭文件：
#include定義和初始化等待隊列頭(workqueue)：
靜態的,用宏：
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)動態的,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
wq 定義的等待隊列頭，condition 為條件表達式，當wake up后，condition為真時，喚醒阻塞的進程，為假時，繼續睡眠。功能說明
接口版本比較多，各自都有自己合適的應用場合，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wait_event_interruptible版本的wake upwake_up_interruptible_sync：保證wake up的動作原子性，wake_up這個函數，很有可能函數還沒執行完，就被喚起來進程給搶占了，這個函數能夠保證wak up動作完整的執行完成。其他的也是與對應阻塞接口對應的。
使用實例
以字符設備為例，在沒有數據的時候，在read函數中實現讀阻塞，當向內核寫入數據時，則喚醒阻塞在該等待隊列的所有任務。
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？
上述操作雖然實現了阻塞功能，但是我們在應用程序打開一個字符設備的時候，有時候我們希望操作是非阻塞的，比如：
fd=open("/dev/hello",O_RDONLY|O_NONBLOCK);那么驅動如何得到這個標記呢？
參考《手把手教Linux驅動6-inode,file,file_operations關系》，該標記會存儲在結構體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：
(2)動態：
wait_queue_t wa;init_waitqueue_entry(&wa,&tsk);tsk是進程結構體，一般是current(linux當前進程就是用這個獲取)。還可以用下面的，設置自定義的等待隊列回調函數,上面的是linux默認的一個回調函數default_wake_function(),不過默認的用得最多：
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);(回調有什么作用？)
用下面函數將等待隊列，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)：
上面的阻塞和解除阻塞接口，只能是對當前進程阻塞/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(不僅僅是當前進程)，掛起睡眠，當然喚醒時，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：
阻塞當前進程的原理：用函數set_current_state()修改當前進程為TASK_INTERRUPTIBLE(不可中斷睡眠)或TASK_UNINTERRUPTIBLE(可中斷睡眠)狀態，然后調用schedule()告訴內核重新調度，由于當前進程狀態已經為睡眠狀態，自然就不會被調度。schedule()簡單說就是告訴內核當前進程主動放棄CPU控制權。這樣來，就可以說當前進程在此處睡眠，即阻塞在這里。
在上一小節“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tsk已經指向某進程控制塊p->state = TASK_INTERRUPTIBLE;//or TASK_UNINTERRUPTIBLEinit_waitqueue_entry(&wa,&tsk);就能將任意進程掛起，當然，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，被掛起的進程狀態被修改為TASK_RUNNING，才會被再次調度。(主要是schedule()下面會說到)。
wait_event實現原理：
先看下wait_event實現：
#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，并將當前進程設置為state指定的狀態，一般是TASK_UNINTERRUPTIBLE或TASK_INTERRUPTIBLE狀態(在這函數里有調用set_current_state)。 第一個參數：工作隊列頭 第二個參數：工作隊列 第三個參數：當前進程要設置的狀態finish_wait：
用了prepare_to_wait之后，當退出時，一定要用這個函數清空等待隊列。
功能：
明白這個過程，用prepare_to_wait和schedule()來實現更為靈活的阻塞，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
當調用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，如果數量很大，被稱為”瘋狂售群”。這樣會非常占用系統資源。
解決方法：
wait_queue_t成員flage有個重要的標志WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示：
當一個等待隊列入口有 WQ_FLAG_EXCLUSEVE 標志置位, 它被添加到等待隊列的尾部. 沒有這個標志的入口項, 添加到開始.當 wake_up 被在一個等待隊列上調用, 它在喚醒第一個有WQ_FLAG_EXCLUSIVE 標志的進程后停止.wait_event默認總是將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，有這個標志，就避免了這種情況。
prepare_to_wait_exclusive()就是加入了這個標志的。
補充
Linux將進程狀態描述為如下五種：1. TASK_RUNNING：可運行狀態。處于該狀態的進程可以被調度執行而成為當前進程。2. TASK_INTERRUPTIBLE：可中斷的睡眠狀態。處于該狀態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)。3. TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中斷的睡眠狀態。處于該狀態的進程僅當所需資源有效時被喚醒。4. TASK_ZOMBIE：僵尸狀態。表示進程結束且已釋放資源，但其task_struct仍未釋放。5. TASK_STOPPED：暫停狀態。處于該狀態的進程通過其他進程的信號才能被喚醒Linux 通過結構體task_struct維護所有運行的線程、進程，不同狀態的任務，會由不同的隊列進行維護，schedule()函數就負責根據這些狀態的變化調度這些任務。關于進程的調度，后續會新開文章詳細介紹。
實例
下面實例主要功能是基于我們之前課程《手把手教Linux驅動3-之字符設備架構詳解，有這篇就夠了》最后的代碼實例，在此基礎上增加寫阻塞的功能。
驅動
ule_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!"); return -1; } read(fd,buf,sizeof(buf)); printf("num:%s",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!"); 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。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux wait函数头文件_手把手教Linux驱动9-等待队列waitq的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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