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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 
 
         __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)起睡眠請求。對于進(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。