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Linux內核用戶態是如何睡眠的

B4Pb_gh_6fde77c ? 來源:Linux內核遠航者 ? 作者:Linux內核遠航者 ? 2021-08-16 15:06 ? 次閱讀

4.用戶態睡眠

以sleep為例來說明任務在用戶態是如何睡眠的。

首先我們通過strace工具來看下其調用的系統調用:

$ strace sleep 1

...

close(3) = 0

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

close(1) = 0

...

可以發現sleep主要調用clock_nanosleep系統調用來進行睡眠(也就是說用戶態任務睡眠需要調用系統調用陷入內核)。

下面我們來研究下clock_nanosleep的實現(這里集中到睡眠的實現,先忽略掉定時器等諸多的技術細節):

kernel/time/posix-timers.c

SYSCALL_DEFINE4(clock_nanosleep

-》const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock(which_clock); //根據時鐘類型得到內核時鐘結構

return kc-》nsleep(which_clock, flags, &t); //調用內核時鐘結構的nsleep回調

我們傳遞過來的時鐘類型為CLOCK_REALTIME,則調用鏈為:

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); //初始化高精度定時器

sl-》timer.function = hrtimer_wakeup; //設置超時回調函數

sl-》task = current;。//設置超時時要喚醒的任務

-》do_nanosleep //睡眠操作

可以看到,睡眠函數最終調用到hrtimer_nanosleep,它調用了兩個主要函數:__hrtimer_init_sleeper和do_nanosleep,前者主要設置高精度定時器,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); //設置可中斷的睡眠狀態

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

if (likely(t-》task))

freezable_schedule(); //主動調度

hrtimer_cancel(&t-》timer);

mode = HRTIMER_MODE_ABS;

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

__set_current_state(TASK_RUNNING); //設置為可運行狀態

do_nanosleep函數是睡眠的核心實現:首先設置任務的狀態為可中斷的睡眠狀態,然后開啟了之前設置的高精度定時器,隨即調用freezable_schedule進行真正的睡眠。

來看下freezable_schedule:

//include/linux/freezer.h

freezable_schedule

-》schedule()

-》__schedule(false);

可以看到最終調用主調度器__schedule進行主動調度。

當任務睡眠完成,定時器超時,會調用之前在__hrtimer_init_sleeper設置的超時回調函數hrtimer_wakeup將睡眠的任務喚醒(關于進程喚醒在這里就不在贅述,在后面的進程喚醒專題文章在進行詳細解讀),然后就可以再次獲得處理器的使用權了。

總結:處于用戶態的任務,如果想要睡眠一段時間必須向內核請求服務(如調用clock_nanosleep系統調用),內核中會設置一個高精度定時器,來記錄要睡眠的任務,然后設置任務狀態為可中斷的睡眠狀態,緊接著發生主動調度,這樣任務就發生睡眠了。

5.內核態睡眠

當任務處于內核態時,有時候也需要睡眠一段時間,不像任務處于用戶態需要發生系統調用來請求內核進行睡眠,在內核態可以直接調用睡眠函數。當然,內核態中,睡眠有兩種場景:一種是睡眠特定的時間的延遲操作(喚醒條件為超時),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鎖為例講解內核態睡眠:

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時間轉換為jiffies

while (timeout)

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

}

下面看下schedule_timeout_uninterruptible:

這里涉及到一個重要數據結構process_timer

struct process_timer {

struct timer_list timer; //定時器結構

struct task_struct *task; //定時器到期要喚醒的任務

};

schedule_timeout_uninterruptible

-》 __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); //設置任務狀態為不可中斷睡眠

return schedule_timeout(timeout);

-》expire = timeout + jiffies; //計算到期時的jiffies值

timer.task = current; //記錄定時器到期要喚醒的任務 為當前任務

timer_setup_on_stack(&timer.timer, process_timeout, 0); //初始化定時器 超時回調為process_timeout

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

schedule(); //主動調度

再看下超時回調為process_timeout:

process_timeout

-》struct process_timer *timeout = from_timer(timeout, t, timer); //通過定時器結構獲得process_timer

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

可以看到,msleep實現睡眠也是通過定時器,首先設置當前任務狀態為不可中斷睡眠,然后設置定時器超時時間為傳遞的ms級延遲轉換的jiffies,超時回調為process_timeout,然后將定時器添加到系統中,最后調用schedule發起主動調度,當定時器超時的時候調用process_timeout來喚醒睡眠的任務。

5.2 mutex鎖

mutex鎖是可睡眠鎖的一種,當申請mutex鎖時發現其他內核路徑已經持有這把鎖,當前任務就會睡眠等待在這把鎖上。

下面我們來看他的實現,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_) //睡眠的狀態為不可中斷睡眠

-》__mutex_lock_common

-》

...

waiter.task = current; //記錄需要喚醒的任務為當前任務

set_current_state(state); //設置睡眠狀態

for (;;) {

if (__mutex_trylock(lock)) //嘗試獲得鎖

goto acquired;

schedule_preempt_disabled();

-》schedule(); //主動調度

}

acquired:

__set_current_state(TASK_RUNNING);//設置狀態為可運行狀態

可以看到mutex鎖實現睡眠套路和之前是一樣的:申請mutex鎖的時候,如果其他內核路徑已經持有這把鎖,首先通過mutex鎖的相關結構來記錄下當前任務,然后設置任務狀態為不可中斷睡眠,接著在一個for循環中調用schedule_preempt_disabled發生主動調度,于是當前任務就睡眠在這把鎖上。

當其他內核路徑釋放了這把鎖,就會喚醒等待在這把鎖上的任務,當前任務就獲得了這把鎖,然后進入鎖的臨界區,喚醒操作就完成了(關于喚醒的技術細節,后面的喚醒專題會詳細講解)。

6.總結

進程睡眠按照應用場景可以分為:延遲睡眠和等待某些特定條件而睡眠,實際上都可以歸于等待某些特定條件而睡眠,因為延遲特定時間也可以作為特定條件。

進程睡眠按照進程所處的特權級別可以分為:用戶態進程睡眠和內核態進程睡眠,用戶態進程睡眠需要進程通過系統調用陷入內核來發起睡眠請求。對于進程睡眠,內核主要需要做三大步操作:

1.設置任務狀態為睡眠狀態 2.記錄睡眠的任務 3.發起主動調度。這三大步操作都是非常有必要,第一步設置睡眠狀態為后面調用主調度器做必要的標識準備;第二步記錄下睡眠的任務是為了以后喚醒任務來準備的;第三步是睡眠的主體部分,這里會將睡眠的任務從運行隊列中踢出,選擇下一個任務運行。

原文標題:深入理解Linux內核之進程睡眠(下)

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責任編輯:haq

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