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              Linux等待隊列源碼深度解析
              linux等待隊列源碼

              欄目:技術(shù)大全 時間:2024-11-28 19:05



              Linux等待隊列源碼深度解析 Linux內(nèi)核中的等待隊列是一種關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它廣泛用于內(nèi)核驅(qū)動及進程調(diào)度中,為異步事件通知、跨進程通信、同步資源訪問等提供了底層技術(shù)支撐

                  通過對Linux等待隊列源碼的深入分析,我們能夠更好地理解其實現(xiàn)原理,并發(fā)現(xiàn)其在系統(tǒng)中的作用與價值

                   一、等待隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 等待隊列基于雙循環(huán)鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),由兩種核心元素構(gòu)成:等待隊列頭(wait_queue_head_t)和等待隊列項(wait_queue_t)

                  這兩者通過list_head類型的task_list鏈接在一起,形成了一個雙向鏈表

                   1.1 wait_queue_head_t 等待隊列頭包含了自旋鎖(spinlock_t lock)和鏈表頭(structlist_head task_list)

                  自旋鎖用于互斥訪問,保證多線程環(huán)境下對等待隊列的操作是安全的

                  鏈表頭則用于鏈接所有等待的進程

                   struct __wait_queue_head { spinlock_t lock; structlist_head task_list; }; typedef struct__wait_queue_headwait_queue_head_t; 可以使用宏DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)來聲明一個等待隊列頭

                  例如: DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_wait_queue); 1.2 wait_queue_t 等待隊列項包含了標志位(unsigned int flags)、指向等待進程的指針(void private)、喚醒函數(shù)(wait_queue_func_t func)和鏈表元素(struct list_headtask_list)

                  標志位用于標記等待隊列項的狀態(tài),喚醒函數(shù)則用于在條件滿足時喚醒進程

                   struct __wait_queue { unsigned int flags; voidprivate; wait_queue_func_t func; structlist_head task_list; }; typedef struct__wait_queuewait_queue_t; 可以使用宏DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)來聲明一個等待隊列項,并將某個進程(task_struct)關(guān)聯(lián)到這個等待隊列項

                  例如: DECLARE_WAITQUEUE(my_wait_queue_entry, my_task); 二、等待隊列的初始化與操作 在使用等待隊列之前,需要進行初始化操作

                  初始化可以通過靜態(tài)和動態(tài)兩種方式實現(xiàn)

                   2.1 靜態(tài)初始化 靜態(tài)初始化是通過宏DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)和DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk)實現(xiàn)的

                  靜態(tài)初始化在編譯時分配內(nèi)存,并將等待隊列頭和等待隊列項初始化為默認值

                   DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wqh); DECLARE_WAITQUEUE(wq_entry, tsk); 2.2 動態(tài)初始化 動態(tài)初始化則需要手動分配內(nèi)存,并調(diào)用init_waitqueue_head函數(shù)進行初始化

                   wait_queue_head_t wqh; init_waitqueue_head(&wqh); 將進程添加到等待隊列和從等待隊列中移除進程的操作同樣重要

                  可以使用add_wait_queue和remove_wait_queue函數(shù)實現(xiàn)這些操作

                   void add_wait_queue(wait_queue_head_twq_head, wait_queue_t wq_entry); void remove_wait_queue(wait_queue_head_twq_head, wait_queue_t wq_entry); 這兩個函數(shù)分別將等待隊列項添加到等待隊列頭和從等待隊列頭中移除

                  為了確保線程安全,這兩個函數(shù)都使用了自旋鎖進行保護

                   三、休眠與喚醒機制 等待隊列的核心功能是支持進程的休眠與喚醒

                  休眠的進程不再被調(diào)度器調(diào)度,直到被某個事件喚醒

                  在Linux內(nèi)核中,提供了多種宏來實現(xiàn)進程的休眠與喚醒

                   3.1 休眠 可以使用wait_event宏族來讓進程休眠,直到某個條件滿足

                  例如: wait_event(wq_head,condition); wait_event_timeout(wq_head, condition,timeout); wait_event_interruptible(wq_head,condition); wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition,timeout); - `wait_event`:使進程進入不可中斷休眠狀態(tài),直到條件為真

                   - `wait_event_timeout`:使進程在指定的超時時間內(nèi)等待條件為真

                   - `wait_event_interruptible`:使進程進入可中斷休眠狀態(tài),直到條件為真或被信號打斷

                   - `wait_event_interruptible_timeout`:使進程在指定的超時時間內(nèi)等待條件為真,或在被信號打斷時返回

                   這些宏的核心是調(diào)用`___wait_event`函數(shù),它進行一系列的準備工作,如檢查進程是否有待處理信號、將進程添加到等待隊列等,然后調(diào)用`schedule()`函數(shù)使進程進入休眠狀態(tài)

                   3.2 喚醒 可以使用wake_up宏族來喚醒等待隊列中的進程

                  例如: wake_up(&wq_head); wake_up_interruptible(&wq_head); wake_up_interruptible_nr(&wq_head,nr); wake_up_interruptible_all(&wq_head); - `wake_up`:喚醒等待隊列中的所有進程

                   - `wake_up_interruptible`:喚醒等待隊列中處于可中斷休眠狀態(tài)的進程

                   - `wake_up_interruptible_nr`:喚醒指定數(shù)量的處于可中斷休眠狀態(tài)的進程

                   - `wake_up_interruptible_all`:喚醒等待隊列中所有處于可中斷休眠狀態(tài)的進程

                   這些宏的核心是調(diào)用`__wake_up`函數(shù),它通過遍歷等待隊列頭中的鏈表,找到并喚醒符合條件的進程

                   四、應用場景:按鍵驅(qū)動的實現(xiàn) 等待隊列在內(nèi)核驅(qū)動中的應用非常廣泛,下面以按鍵驅(qū)動為例,展示如何使用等待隊列實現(xiàn)一個簡單的異步事件通知機制

                   假設我們有一個按鍵設備,用戶空間的應用程序需要知道按鍵何時被按下

                  如果按鍵事件是隨機發(fā)生的,應用程序不能通過輪詢的方式讀取設備文件來檢測按鍵事件,因為這樣會導致大量的CPU資源浪費

                  使用等待隊列,可以在按鍵事件發(fā)生時喚醒應用程序,從而避免不必要的輪詢

                   以下是一個簡單的按鍵驅(qū)動示例代碼: include include include include include include include include include include include include include include // 定義按鍵的硬件信息 struct btn_dest{ int gpio; // GPIO端口號 charname; // 名稱 char code; // 鍵值(代表哪個按鍵) }; struct btn_destbtn_info【】= { { .gpio = PAD_GPIO_A + 28, .name = K2, .code = 0x50, }, { .gpio = PAD_GPIO_B + 9, .name = K6, .code = 0x60,}, // 更多按鍵信息... }; // 聲明等待隊列頭 wait_queue_head_t wqh; // 鍵值和狀態(tài) char key = 0; int flag = 0; // 默認沒有發(fā)生按鍵事件 // 打開設備文件時的回調(diào)函數(shù) int btn_open(structinode inode, struct file filp) { printk(enterbtn_open!n); return 0; } // 讀取設備文件時的回調(diào)函數(shù) ssize_t btn_read(structfile filp, char __user buf,size_t size, loff_toffset) { if(size!= return -EINVAL; // 阻塞等待按鍵事件 if(wait_event_interruptible(wqh, fla

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