嵌入式驱动学习第一周——阻塞IO，进程的休眠与唤醒-编程知识

前言

本文介绍进程的休眠与唤醒。

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行文目录

前言
1. 阻塞和非阻塞
2. 进程的几种状态
3. 等待队列
- 3.1 等待队列头
- 3.2 等待队列项
参考资料

1. 阻塞和非阻塞

当应用程序对设备驱动进行操作时，如果不能获取到设备资源，那么阻塞IO就会将应用程序挂起，直到设备资源可以获取为止。其模式如下所示：

在这里插入图片描述

应用程序调用read函数从设备中读取数据，当设备不可用或数据未准备好的时候进入到休眠态，等设备可用就会从休眠态唤醒，然后从设备中读取数据返回到应用程序。

阻塞访问最大的好处就是当设备文件不可操作时进程进入休眠态，可以把CPU资源让出来。

应用程序用阻塞IO访问的代码如下。默认读取方式就是阻塞式访问。

int fd;
int data = 0;fd = open("dev/xxx_dev", O_RDWR);			// 阻塞方式打开
ret = read(fd, &data, sizeof(data));		// 读取数据

非阻塞式IO中，应用程序对应的线程不会挂起，要么一直轮询等待，直到设备资源可用，要么直接放弃，其模式如下：

在这里插入图片描述

应用程序调用read函数从设备中获取数据，当设备不可用或数据未准备好时会立即向内核返回一个错误码，表示数据读取失败，应用程序会再次重新读取数据，这样循环往复，直到数据读取成功。

应用程序用阻塞IO访问的代码如下，主要在open函数的第二个参数上有变化：

int fd;
int data = 0;fd = open("dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK);			// 阻塞方式打开
ret = read(fd, &data, sizeof(data));		// 读取数据

2. 进程的几种状态

TASK_RUNNING：正在运行或处于就绪状态：就绪状态是指进程申请到了CPU以外的其他所有资源，提醒：一般的操作系统教科书将正在CPU上执行的进程定义为RUNNING状态、而将可执行但是尚未被调度执行的进程定义为READY状态，这两种状态在Linux下统一为 TASK_RUNNING状态.

TASK_INTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接、信号等等），但可以被中断唤醒.一般情况下，进程列表中的绝大多数进程都处于 TASK_INTERRUPTIBLE状态.毕竟皇帝只有一个（单个CPU时），后宫佳丽几千；如果不是绝大多数进程都在睡眠，CPU又怎么响应得过来.

TASK_UNINTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接、信号等等），但不可以被中断唤醒.

TASK_ZOMBIE:僵死状态，进程资源用户空间被释放，但内核中的进程PCB并没有释放，等待父进程回收.

TASK_STOPPED:进程被外部程序暂停（如收到SIGSTOP信号，进程会进入到TASK_STOPPED状态），当再次允许时继续执行（进程收到SIGCONT信号，进入TASK_RUNNING状态），因此处于这一状态的进程可以被唤醒.

3. 等待队列

阻塞访问中，如果设备不可操作的时候，进程进入休眠态，但当设备文件可以操作时就必须唤醒进程，一般在终端中完成唤醒工作。Linux内核提供等待队列来实现阻塞进程的唤醒工作。

3.1 等待队列头

如果要使用等待队列，必须先新建并初始化一个等待队列头，等待队列头使用结构体wait_queue_head_t：

struct __wait_queue_head {spinlock_t lock;struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

定义好等待队列头后就使用函数init_waitqueue_head进行初始化。

/** @description: 初始化等待队列头* @param-q    : 要初始化的等待队列头* @return     : 无*/
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)

3.2 等待队列项

等待队列头是一个等待队列的头部，每个访问设备的进程为一个队列项，当设备不可用时将这些进程对应的等待队列项添加到等待队列中，用结构体wait_queue_t表示等待队列项

struct __wait_queue {unsigned int flags;void *private;wait_queue_func_t func;struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

DECLARE_WAITQUEUE 定义并初始化一个等待队列项

// 定义并初始化一个等待队列，name是等待队列项的名字，tsk是该等待队列项属于哪个任务（进程），一般设置为current
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

以下是添加等待队列项的函数：

/** @description: 添加队列项* @param-q    : 等待队列项要加入的等待对猎头* @param-wait : 要加入的等待队列项* @return     : 无*/
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)

以下是删除等待队列项的函数：

/** @description: 删除队列项* @param-q    : 要删除等待队列项的等待对猎头* @param-wait : 要删除的等待队列项* @return     : 无*/
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)

唤醒休眠态进程有两个函数wake_up()和wake_up_interruptible()。

wake_up 可以唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程
wake_up_interruptible只可以唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE的进程

/** @description: 环境休眠态的进程* @param-q    : 要唤醒的等待队列头，其中的所有线程都会唤醒* @return     : 无*/
void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)

除了主动唤醒，也可以设置等待队列等待某个事件来唤醒等待队列的线程。

/** @description    : 当condition为真时，唤醒以wq为等待对猎头的等待队列，condition为假时，会一直阻塞。* 					此函数会将进程设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态* @param-wq       : 要唤醒的等待队列头，其中的所有线程都会唤醒* @param-condition: 唤醒条件* @return         : 无*/
wait_event(wq, condition)

/** @description    : 功能和 wait_event 类似，但是此函数可以添加超时时间，以 jiffies 为单位* @param-wq       : 要唤醒的等待队列头，其中的所有线程都会唤醒* @param-condition: 唤醒条件* @param-timeout  : 超时时间* @return         : 0，表示超时时间到，而且 condition为假。1，表示 condition 为真，也就是条件满足了*/
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)

/** @description    : 与 wait_event 函数类似，但是此函数将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，就是可以被信号打断*/
wait_event_interruptible(wq, condition)

/** @description    : 与 wait_event_timeout 函数类似，但是此函数将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，就是可以被信号打断*/
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)

总结：使用等待队列实现阻塞访问重点注意两点：

①、将任务或者进程加入到等待队列头
②、在合适的点唤醒等待队列，一般都是中断处理函数里面。

参考资料

[1] 【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱区动开发指南 第五十二章

[2] linux内核任务调度-- wait_event