深入理解Linux內核之進程睡眠（下）
本文轉載自微信公眾號「Linux內核遠航者」，作者Linux內核遠航者。轉載本文請聯系Linux內核遠航者公眾號。
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。
