4.用戶態(tài)睡眠

以sleep為例來說明任務(wù)在用戶態(tài)是如何睡眠的。

首先我們通過strace工具來看下其調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用：

$ strace sleep 1

...

close（3） = 0

clock_nanosleep（CLOCK_REALTIME， 0， {tv_sec=1， tv_nsec=0}， NULL） = 0

close（1） = 0

...

可以發(fā)現(xiàn)sleep主要調(diào)用clock_nanosleep系統(tǒng)調(diào)用來進(jìn)行睡眠（也就是說用戶態(tài)任務(wù)睡眠需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核）。

下面我們來研究下clock_nanosleep的實(shí)現(xiàn)（這里集中到睡眠的實(shí)現(xiàn)，先忽略掉定時(shí)器等諸多的技術(shù)細(xì)節(jié)）：

kernel/time/posix-timers.c

SYSCALL_DEFINE4（clock_nanosleep

-》const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock（which_clock）; //根據(jù)時(shí)鐘類型得到內(nèi)核時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

return kc-》nsleep（which_clock， flags， &t）; //調(diào)用內(nèi)核時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的nsleep回調(diào)

我們傳遞過來的時(shí)鐘類型為CLOCK_REALTIME，則調(diào)用鏈為：

kc-》nsleep（CLOCK_REALTIME， flags， &t）

-》clock_realtime.nsleep

-》common_nsleep

-》hrtimer_nanosleep //kernel/time/hrtimer.c

-》hrtimer_init_sleeper_on_stack

-》__hrtimer_init_sleeper

-》__hrtimer_init（&sl-》timer， clock_id， mode）; //初始化高精度定時(shí)器

sl-》timer.function = hrtimer_wakeup; //設(shè)置超時(shí)回調(diào)函數(shù)

sl-》task = current;。//設(shè)置超時(shí)時(shí)要喚醒的任務(wù)

-》do_nanosleep //睡眠操作

可以看到，睡眠函數(shù)最終調(diào)用到hrtimer_nanosleep，它調(diào)用了兩個(gè)主要函數(shù)：__hrtimer_init_sleeper和do_nanosleep，前者主要設(shè)置高精度定時(shí)器，后者就是真正的睡眠，主要來看下do_nanosleep：

kernel/time/hrtimer.c

do_nanosleep

-》

do {

set_current_state（TASK_INTERRUPTIBLE）; //設(shè)置可中斷的睡眠狀態(tài)

hrtimer_sleeper_start_expires（t， mode）; //開啟高精度定時(shí)器

if （likely（t-》task））

freezable_schedule（）; //主動(dòng)調(diào)度

hrtimer_cancel（&t-》timer）;

mode = HRTIMER_MODE_ABS;

} while （t-》task && ！signal_pending（current））; //是否記錄的有任務(wù)且沒有掛起的信號(hào)

__set_current_state（TASK_RUNNING）; //設(shè)置為可運(yùn)行狀態(tài)

do_nanosleep函數(shù)是睡眠的核心實(shí)現(xiàn)：首先設(shè)置任務(wù)的狀態(tài)為可中斷的睡眠狀態(tài)，然后開啟了之前設(shè)置的高精度定時(shí)器，隨即調(diào)用freezable_schedule進(jìn)行真正的睡眠。

來看下freezable_schedule：

//include/linux/freezer.h

freezable_schedule

-》schedule（）

-》__schedule（false）;

可以看到最終調(diào)用主調(diào)度器__schedule進(jìn)行主動(dòng)調(diào)度。

當(dāng)任務(wù)睡眠完成，定時(shí)器超時(shí)，會(huì)調(diào)用之前在__hrtimer_init_sleeper設(shè)置的超時(shí)回調(diào)函數(shù)hrtimer_wakeup將睡眠的任務(wù)喚醒（關(guān)于進(jìn)程喚醒在這里就不在贅述，在后面的進(jìn)程喚醒專題文章在進(jìn)行詳細(xì)解讀），然后就可以再次獲得處理器的使用權(quán)了。

總結(jié)：處于用戶態(tài)的任務(wù)，如果想要睡眠一段時(shí)間必須向內(nèi)核請(qǐng)求服務(wù)（如調(diào)用clock_nanosleep系統(tǒng)調(diào)用），內(nèi)核中會(huì)設(shè)置一個(gè)高精度定時(shí)器，來記錄要睡眠的任務(wù)，然后設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為可中斷的睡眠狀態(tài)，緊接著發(fā)生主動(dòng)調(diào)度，這樣任務(wù)就發(fā)生睡眠了。

5.內(nèi)核態(tài)睡眠

當(dāng)任務(wù)處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，有時(shí)候也需要睡眠一段時(shí)間，不像任務(wù)處于用戶態(tài)需要發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用來請(qǐng)求內(nèi)核進(jìn)行睡眠，在內(nèi)核態(tài)可以直接調(diào)用睡眠函數(shù)。當(dāng)然，內(nèi)核態(tài)中，睡眠有兩種場(chǎng)景：一種是睡眠特定的時(shí)間的延遲操作（喚醒條件為超時(shí)），一種是等待特定條件滿足（如IO讀寫完成，可睡眠的鎖被釋放等）。

下面分別以msleep和mutex鎖為例講解內(nèi)核態(tài)睡眠：

5.1 msleep

msleep做ms級(jí)別的睡眠延遲。

//kernel/time/timer.c

void msleep（unsigned int msecs）

{

unsigned long timeout = msecs_to_jiffies（msecs） + 1; //ms時(shí)間轉(zhuǎn)換為jiffies

while （timeout）

timeout = schedule_timeout_uninterruptible（timeout）; //不可中斷睡眠

}

下面看下schedule_timeout_uninterruptible：

這里涉及到一個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)process_timer

struct process_timer {

struct timer_list timer; //定時(shí)器結(jié)構(gòu)

struct task_struct *task; //定時(shí)器到期要喚醒的任務(wù)

};

schedule_timeout_uninterruptible

-》 __set_current_state（TASK_UNINTERRUPTIBLE）; //設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為不可中斷睡眠

return schedule_timeout（timeout）;

-》expire = timeout + jiffies; //計(jì)算到期時(shí)的jiffies值

timer.task = current; //記錄定時(shí)器到期要喚醒的任務(wù) 為當(dāng)前任務(wù)

timer_setup_on_stack（&timer.timer， process_timeout， 0）; //初始化定時(shí)器 超時(shí)回調(diào)為process_timeout

__mod_timer（&timer.timer， expire， MOD_TIMER_NOTPENDING）; //添加定時(shí)器

schedule（）; //主動(dòng)調(diào)度

再看下超時(shí)回調(diào)為process_timeout：

process_timeout

-》struct process_timer *timeout = from_timer（timeout， t， timer）; //通過定時(shí)器結(jié)構(gòu)獲得process_timer

wake_up_process（timeout-》task）; //喚醒其管理的任務(wù)

可以看到，msleep實(shí)現(xiàn)睡眠也是通過定時(shí)器，首先設(shè)置當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)為不可中斷睡眠，然后設(shè)置定時(shí)器超時(shí)時(shí)間為傳遞的ms級(jí)延遲轉(zhuǎn)換的jiffies，超時(shí)回調(diào)為process_timeout，然后將定時(shí)器添加到系統(tǒng)中，最后調(diào)用schedule發(fā)起主動(dòng)調(diào)度，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)的時(shí)候調(diào)用process_timeout來喚醒睡眠的任務(wù)。

5.2 mutex鎖

mutex鎖是可睡眠鎖的一種，當(dāng)申請(qǐng)mutex鎖時(shí)發(fā)現(xiàn)其他內(nèi)核路徑已經(jīng)持有這把鎖，當(dāng)前任務(wù)就會(huì)睡眠等待在這把鎖上。

下面我們來看他的實(shí)現(xiàn)，主要看睡眠的部分：

kernel/locking/mutex.c

mutex_lock

-》__mutex_lock_slowpath

-》__mutex_lock（lock， TASK_UNINTERRUPTIBLE， 0， NULL， _RET_IP_） //睡眠的狀態(tài)為不可中斷睡眠

-》__mutex_lock_common

-》

...

waiter.task = current; //記錄需要喚醒的任務(wù)為當(dāng)前任務(wù)

set_current_state（state）; //設(shè)置睡眠狀態(tài)

for （;;） {

if （__mutex_trylock（lock）） //嘗試獲得鎖

goto acquired;

schedule_preempt_disabled（）;

-》schedule（）; //主動(dòng)調(diào)度

}

acquired：

__set_current_state（TASK_RUNNING）;//設(shè)置狀態(tài)為可運(yùn)行狀態(tài)

可以看到mutex鎖實(shí)現(xiàn)睡眠套路和之前是一樣的：申請(qǐng)mutex鎖的時(shí)候，如果其他內(nèi)核路徑已經(jīng)持有這把鎖，首先通過mutex鎖的相關(guān)結(jié)構(gòu)來記錄下當(dāng)前任務(wù)，然后設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為不可中斷睡眠，接著在一個(gè)for循環(huán)中調(diào)用schedule_preempt_disabled發(fā)生主動(dòng)調(diào)度，于是當(dāng)前任務(wù)就睡眠在這把鎖上。

當(dāng)其他內(nèi)核路徑釋放了這把鎖，就會(huì)喚醒等待在這把鎖上的任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)就獲得了這把鎖，然后進(jìn)入鎖的臨界區(qū)，喚醒操作就完成了（關(guān)于喚醒的技術(shù)細(xì)節(jié)，后面的喚醒專題會(huì)詳細(xì)講解）。

6.總結(jié)

進(jìn)程睡眠按照應(yīng)用場(chǎng)景可以分為：延遲睡眠和等待某些特定條件而睡眠，實(shí)際上都可以歸于等待某些特定條件而睡眠，因?yàn)檠舆t特定時(shí)間也可以作為特定條件。

進(jìn)程睡眠按照進(jìn)程所處的特權(quán)級(jí)別可以分為：用戶態(tài)進(jìn)程睡眠和內(nèi)核態(tài)進(jìn)程睡眠，用戶態(tài)進(jìn)程睡眠需要進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核來發(fā)起睡眠請(qǐng)求。對(duì)于進(jìn)程睡眠，內(nèi)核主要需要做三大步操作：

1.設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為睡眠狀態(tài) 2.記錄睡眠的任務(wù) 3.發(fā)起主動(dòng)調(diào)度。這三大步操作都是非常有必要，第一步設(shè)置睡眠狀態(tài)為后面調(diào)用主調(diào)度器做必要的標(biāo)識(shí)準(zhǔn)備；第二步記錄下睡眠的任務(wù)是為了以后喚醒任務(wù)來準(zhǔn)備的；第三步是睡眠的主體部分，這里會(huì)將睡眠的任務(wù)從運(yùn)行隊(duì)列中踢出，選擇下一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。

原文標(biāo)題：深入理解Linux內(nèi)核之進(jìn)程睡眠（下）

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