4.用戶態(tài)睡眠

以sleep為例來說明任務在用戶態(tài)是如何睡眠的。

首先我們通過strace工具來看下其調用的系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)sleep主要調用clock_nanosleep系統(tǒng)調用來進行睡眠（也就是說用戶態(tài)任務睡眠需要調用系統(tǒng)調用陷入內核）。

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

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(shù)最終調用到hrtimer_nanosleep，它調用了兩個主要函數(shù)：__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(tài)

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(tài)

do_nanosleep函數(shù)是睡眠的核心實現(xiàn)：首先設置任務的狀態(tài)為可中斷的睡眠狀態(tài)，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(shù)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(tài)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(tǒng)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(tài)為可中斷的睡眠狀態(tài)，緊接著發(fā)生主動調度，這樣任務就發(fā)生睡眠了。

5.內核態(tài)睡眠

當任務處于內核態(tài)時，有時候也需要睡眠一段時間，不像任務處于用戶態(tài)需要發(fā)生系統(tǒng)調用來請求內核進行睡眠，在內核態(tài)可以直接調用睡眠函數(shù)。當然，內核態(tài)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(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(shù)據(jù)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(tài)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(xiàn)睡眠也是通過定時器，首先設置當前任務狀態(tài)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(tǒng)中，最后調用schedule發(fā)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(fā)現(xiàn)其他內核路徑已經(jīng)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(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為當前任務

set_current_state（state）; //設置睡眠狀態(tài)

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(tài)為可運行狀態(tài)

可以看到mutex鎖實現(xiàn)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(jīng)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(tài)為不可中斷睡眠，接著在一個for循環(huán)中調用schedule_preempt_disabled發(fā)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(qū)，喚醒操作就完成了（關于喚醒的技術細節(jié)，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(tài)進程睡眠和內核態(tài)進程睡眠，用戶態(tài)進程睡眠需要進程通過系統(tǒng)調用陷入內核來發(fā)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(tài)為睡眠狀態(tài) 2.記錄睡眠的任務 3.發(fā)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(tài)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