Linux内核的基础设施：工作队列、等待队列

1. 前言

通常，我们说开发的设备驱动程序，并不需要有自己的工作队列。如果我们只是偶尔需要向队列中提交任务，则内核已为我们提供了一个更简单、更有效的方法，就是使用内核提供的现成的工作队列！但因为它是和内核中其他任务共享的，所以我们不应该在里面执行一些需要sleep很久的工作。

2. 内核睡眠机制

进程通过睡眠机制释放CPU资源，使其能够处理其他进程。CPU睡眠的原因，一般就是等待资源释放。

内核调度器管理要运行的任务列表，这被称作运行队列。

睡眠进程不再被调度，因为已将它们从运行队列中移除。除非其状态改变（唤醒），否则睡眠进程将永远不会被执行。

进程一旦进入等待状态，就可以释放CPU资源，一定要确保有条件或其他进程会唤醒它。

Linux内核通过提供一组函数和数据结构来简化睡眠机制的实现。

3. 等待队列

等待队列实际上用于处理被阻塞的I/O，以等待特定条件成立，并感知数据或资源可用性。为了理解其工作方式，来看一看它在include/linux/wait.h中的结构：

struct __wait_queue { 
    unsigned int flags; 
#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE 0x01 
    void *private; 
    wait_queue_func_t func; 
    struct list_head task_list; 
};
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请注意task_list字段。正如所看到的，它是一个链表。想要其入睡的每个进程都在该链表中排队（因此被称作等待队列）并进入睡眠状态，直到条件变为真。等待队列可以被看作简单的进程链表和锁。

处理等待队列时，常用到的函数如下。

3.1 静态声明：

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)
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3.2 动态声明：

wait_queue_head_t my_wait_queue; 
init_waitqueue_head(&my_wait_queue);
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3.3 阻塞：

/* 
 * 如果条件为false，则阻塞等待队列中的当前任务（进程） 
 */ 
int wait_event_interruptible(wait_queue_head_t q, CONDITION);
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3.4 解除阻塞：

• 如果调用wake_up_interruptible时，在wait_event_interruptible设置的CONDITION条件仍然是FALSE，则什么都不会发生

/* 
 * 如果上述条件为true，则唤醒在等待队列中休眠的进程 
 */ 
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q);
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4. 工作队列

//创建一个具体做事的函数
static void work_handler(struct work_struct *work) 
{ 
    printk("Waitqueue module handler %s\n", __FUNCTION__); 
    msleep(5000); 
    printk("Wake up the sleeping module\n"); 
    condition = 1; /*设置唤醒条件，改变为1，即(condition != 0) 为真，否则无法唤醒*/
    wake_up_interruptible(&my_wq); /*唤醒执行insmod的进程，进程会检测条件(condition != 0)是否为真, 楼上已设为真*/
} 

//创建 wrk变量
static struct work_struct wrk; 

//初始化wrk变量，并和 work_handler()绑定
INIT_WORK(&wrk, work_handler); 

//调度wrk运行，将运行说绑定的 work_handler()
schedule_work(&wrk);
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5. Demo 演示

5.1 完整源码: test_wait.c

#include  
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#include  
#include  
#include  
#include 
 
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_wq); 
static int condition = 0; 
 
/* 声明一个工作队列*/ 
static struct work_struct wrk; 
 
static void work_handler(struct work_struct *work) 
{ 
    printk("Waitqueue module handler %s\n", __FUNCTION__); 
    msleep(5000); 
    printk("Wake up the sleeping module\n"); 
    condition = 1; /*设置唤醒条件，改变为1，即(condition != 0) 为真，否则无法唤醒*/
    wake_up_interruptible(&my_wq); /*唤醒执行insmod的进程，进程会检测条件(condition != 0)是否为真, 楼上已设为真*/
} 
 
static int __init my_init(void) 
{ 
    printk("Wait queue example\n"); 
 
    INIT_WORK(&wrk, work_handler); 
    schedule_work(&wrk); /*将wrk加入到Linux默认的、共享的工作队列中，类似开了另外一个线程执行*/
 
    printk("Going to sleep %s\n", __FUNCTION__); 
    wait_event_interruptible(my_wq, condition != 0);  /*条件(condition != 0) 为False，执行insmod的进程将进入睡眠*/
 
    pr_info("woken up by the work job\n"); 
    return 0;  
}  
 
void my_exit(void) 
{ 
    printk("waitqueue example cleanup\n"); 
} 
 
module_init(my_init); 
module_exit(my_exit); 
MODULE_AUTHOR("John Madieu "); 
MODULE_LICENSE("GPL");
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5.2 编译添加：Makefile

1. 如下，随意找了个位置，内核的drivers/amlogic/input，将test.wait.c放在此目录下
2. 添加 obj-m += test_wait.o ， 将编译出 test_wait.ko 文件，方便使用

szhou@bc04:~/T972/android_x301/source/t962x3-t972-android9.0/common/drivers/amlogic/input$ cat Makefile 
#
# Makefile for the input core drivers.
#

# Each configuration option enables a list of files.

obj-$(CONFIG_AMLOGIC_AVIN_DETECT) += avin_detect/

# …… 省略 ……

obj-m += test_wait.o
szhou@bc04:~/T972/android_x301/source/t962x3-t972-android9.0/common/drivers/amlogic/input$ 
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5.3 运行打印

1. 将test_wait.ko 放入U盘，cd到U盘目录下:/mnt/media_rw/525F-A17B
2. 执行insmod命令，即可测试到现象

:/mnt/media_rw/525F-A17B # insmod test_wait.ko                                 
[11179.724919@1]- Wait queue example
[11179.724984@1]- Waitqueue module handler work_handler   注释：执行 schedule_work(&wrk); 语句，调用了work_handler()
[11179.725000@1]- Going to sleep my_init

  注释:此处休眠了5秒11179 -> 11184 = 5 秒

[11184.937615@1]- Wake up the sleeping module
[11184.937883@1]- woken up by the work job

:/mnt/media_rw/525F-A17B # rmmod test_wait
[11253.229003@2]- waitqueue example cleanup
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6. 案例修改：让唤醒条件始终为False

如下，让我们来验证下，如果( condition != 0)始终为 False ，会发生什么？

6.1 源码：修改的部分

如下将楼上 condition = 1；的语句改为 condition = 0;

static void work_handler(struct work_struct *work) 
{ 
    printk("Waitqueue module handler %s\n", __FUNCTION__); 
    msleep(5000); 
    printk("Wake up the sleeping module, but set condition=0\n"); 
    condition = 0; /* 唤醒条件被设置为0，预计下面语句将无法唤醒所执行的insmod进程*/
    wake_up_interruptible(&my_wq); 
} 
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6.2 运行打印

从如下打印可知，所设置 wait_event_interruptible(my_wq, condition != 0);语句里的( condition != 0)需要为真，才能唤醒

:/mnt/media_rw/525F-A17B # insmod test_wait.ko 
[13879.885846@3]- Wait queue example
[13879.885876@3]- Waitqueue module handler work_handler
[13879.885890@3]- Going to sleep my_init

  注释:此处休眠了5秒，13879 -> 13884

[13884.969417@3]- Wake up the sleeping module, but set condition=0

///  注释： 一直卡在此处，进程未再往下执行，使用Ctrl + C 打断 insmod 进程，则可以继续往下跑
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