一文读懂Linux延时队列工作原理

当进程要获取某些资源(例如从网卡读取数据)的时候，但资源并没有准备好(例如网卡还没接收到数据)，这时候内核必须切换到其他进程运行，直到资源准备好再唤醒进程。

waitqueue (等待队列) 就是内核用于管理等待资源的进程，当某个进程获取的资源没有准备好的时候，可以通过调用 add_wait_queue() 函数把进程添加到 waitqueue 中，然后切换到其他进程继续执行。当资源准备好，由资源提供方通过调用 wake_up() 函数来唤醒等待的进程。

等待队列初始化

要使用 waitqueue 首先需要声明一个 wait_queue_head_t 结构的变量，wait_queue_head_t 结构定义如下：

1. struct__wait_queue_head{
2. spinlock_tlock;
3. structlist_headtask_list;
4. };

waitqueue 本质上是一个链表，而 wait_queue_head_t 结构是 waitqueue 的头部，lock 字段用于保护等待队列在多核环境下数据被破坏，而 task_list 字段用于保存等待资源的进程列表。

可以通过调用 init_waitqueue_head() 函数来初始化 wait_queue_head_t 结构，其实现如下：

1. voidinit_waitqueue_head(wait_queue_head_t*q)
2. {
3. spin_lock_init(&q->lock);
4. INIT_LIST_HEAD(&q->task_list);
5. }

初始化过程很简单，首先调用 spin_lock_init() 来初始化自旋锁 lock，然后调用 INIT_LIST_HEAD() 来初始化进程链表。

向等待队列添加等待进程

要向 waitqueue 添加等待进程，首先要声明一个 wait_queue_t 结构的变量，wait_queue_t 结构定义如下：

1. typedefint(*wait_queue_func_t)(wait_queue_t*wait,unsignedmode,intsync,void*key);
3. struct__wait_queue{
4. unsignedintflags;
5. void*private;
6. wait_queue_func_tfunc;
7. structlist_headtask_list;
8. };

下面说明一下各个成员的作用：

flags: 可以设置为 WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示等待的进程应该独占资源(解决惊群现象)。

private: 一般用于保存等待进程的进程描述符 task_struct。

func: 唤醒函数，一般设置为 default_wake_function() 函数，当然也可以设置为自定义的唤醒函数。

task_list: 用于连接其他等待资源的进程。

可以通过调用 init_waitqueue_entry() 函数来初始化 wait_queue_t 结构变量，其实现如下：

1. staticinlinevoidinit_waitqueue_entry(wait_queue_t*q,structtask_struct*p)
2. {
3. q->flags=0;
4. q->private=p;
5. q->func=default_wake_function;
6. }

也可以通过调用 init_waitqueue_func_entry() 函数来初始化为自定义的唤醒函数：

1. staticinlinevoidinit_waitqueue_func_entry(wait_queue_t*q,wait_queue_func_tfunc)
2. {
3. q->flags=0;
4. q->private=NULL;
5. q->func=func;
6. }

初始化完 wait_queue_t 结构变量后，可以通过调用 add_wait_queue() 函数把等待进程添加到等待队列，其实现如下：

1. voidadd_wait_queue(wait_queue_head_t*q,wait_queue_t*wait)
2. {
3. unsignedlongflags;
5. wait->flags&=~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
6. spin_lock_irqsave(&q->lock,flags);
7. __add_wait_queue(q,wait);
8. spin_unlock_irqrestore(&q->lock,flags);
9. }
11. staticinlinevoid__add_wait_queue(wait_queue_head_t*head,wait_queue_t*new)
12. {
13. list_add(&new->task_list,&head->task_list);
14. }

add_wait_queue() 函数的实现很简单，首先通过调用 spin_lock_irqsave() 上锁，然后调用 list_add() 函数把节点添加到等待队列即可。

wait_queue_head_t 结构与 wait_queue_t 结构之间的关系如下图：

waitqueue

休眠等待进程

当把进程添加到等待队列后，就可以休眠当前进程，让出CPU给其他进程运行，要休眠进程可以通过一下方式：

1. set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2. schedule();

代码 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE) 可以把当前进程运行状态设置为 可中断休眠 状态，调用 schedule() 函数可以使当前进程让出CPU，切换到其他进程执行。

唤醒等待队列

当资源准备好后，就可以唤醒等待队列中的进程，可以通过 wake_up() 函数来唤醒等待队列中的进程。wake_up() 最终会调用 __wake_up_common()，其实现如下：

1. staticvoid__wake_up_common(wait_queue_head_t*q,
2. unsignedintmode,intnr_exclusive,intsync,void*key)
3. {
4. wait_queue_t*curr,*next;
6. list_for_each_entry_safe(curr,next,&q->task_list,task_list){
7. unsignedflags=curr->flags;
9. if(curr->func(curr,mode,sync,key)&&
10. (flags&WQ_FLAG_EXCLUSIVE)&&!--nr_exclusive)
11. break;
12. }
13. }

可以看出，唤醒等待队列就是变量等待队列的等待进程，然后调用唤醒函数来唤醒它们。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/2W9TNepvJ041KU9LvfLvOg