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本文轉載自微信公眾號「Linux內核那些事」，作者songsong001 。轉載本文請聯系Linux內核那些事公眾號。

當進程要獲取某些資源(例如從網卡讀取數據)的時候，但資源并沒有準備好(例如網卡還沒接收到數據)，這時候內核必須切換到其他進程運行，直到資源準備好再喚醒進程。

waitqueue (等待隊列) 就是內核用于管理等待資源的進程，當某個進程獲取的資源沒有準備好的時候，可以通過調用 add_wait_queue() 函數把進程添加到 waitqueue 中，然后切換到其他進程繼續執行。當資源準備好，由資源提供方通過調用 wake_up() 函數來喚醒等待的進程。

等待隊列初始化

要使用 waitqueue 首先需要聲明一個 wait_queue_head_t 結構的變量，wait_queue_head_t 結構定義如下：

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

waitqueue 本質上是一個鏈表，而 wait_queue_head_t 結構是 waitqueue 的頭部，lock 字段用于保護等待隊列在多核環境下數據被破壞，而 task_list 字段用于保存等待資源的進程列表。

可以通過調用 init_waitqueue_head() 函數來初始化 wait_queue_head_t 結構，其實現如下：

void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q) 
{ 
    spin_lock_init(&q->lock); 
    INIT_LIST_HEAD(&q->task_list); 
} 

初始化過程很簡單，首先調用 spin_lock_init() 來初始化自旋鎖 lock，然后調用 INIT_LIST_HEAD() 來初始化進程鏈表。

向等待隊列添加等待進程

要向 waitqueue 添加等待進程，首先要聲明一個 wait_queue_t 結構的變量，wait_queue_t 結構定義如下：

typedef int (*wait_queue_func_t)(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key); 
 
struct __wait_queue { 
    unsigned int flags; 
    void *private; 
    wait_queue_func_t func; 
    struct list_head task_list; 
}; 

下面說明一下各個成員的作用：

flags: 可以設置為 WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示等待的進程應該獨占資源(解決驚群現象)。

private: 一般用于保存等待進程的進程描述符 task_struct。

func: 喚醒函數，一般設置為 default_wake_function() 函數，當然也可以設置為自定義的喚醒函數。

task_list: 用于連接其他等待資源的進程。

可以通過調用 init_waitqueue_entry() 函數來初始化 wait_queue_t 結構變量，其實現如下：

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p) 
{ 
    q->flags = 0; 
    q->private = p; 
    q->func = default_wake_function; 
} 

也可以通過調用 init_waitqueue_func_entry() 函數來初始化為自定義的喚醒函數：

static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q, wait_queue_func_t func) 
{ 
    q->flags = 0; 
    q->private = NULL; 
    q->func = func; 
} 

初始化完 wait_queue_t 結構變量后，可以通過調用 add_wait_queue() 函數把等待進程添加到等待隊列，其實現如下：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait) 
{ 
    unsigned long flags; 
 
    wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE; 
    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags); 
    __add_wait_queue(q, wait); 
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags); 
} 
 
static inline void __add_wait_queue(wait_queue_head_t *head, wait_queue_t *new) 
{ 
    list_add(&new->task_list, &head->task_list); 
} 

add_wait_queue() 函數的實現很簡單，首先通過調用 spin_lock_irqsave() 上鎖，然后調用 list_add() 函數把節點添加到等待隊列即可。

wait_queue_head_t 結構與 wait_queue_t 結構之間的關系如下圖：

waitqueue

休眠等待進程

當把進程添加到等待隊列后，就可以休眠當前進程，讓出CPU給其他進程運行，要休眠進程可以通過一下方式：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 
schedule(); 

代碼 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE) 可以把當前進程運行狀態設置為 可中斷休眠 狀態，調用 schedule() 函數可以使當前進程讓出CPU，切換到其他進程執行。

喚醒等待隊列

當資源準備好后，就可以喚醒等待隊列中的進程，可以通過 wake_up() 函數來喚醒等待隊列中的進程。wake_up() 最終會調用 __wake_up_common()，其實現如下：

static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q,  
    unsigned int mode, int nr_exclusive, int sync, void *key) 
{ 
    wait_queue_t *curr, *next; 
 
    list_for_each_entry_safe(curr, next, &q->task_list, task_list) { 
        unsigned flags = curr->flags; 
 
        if (curr->func(curr, mode, sync, key) && 
                (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive) 
            break; 
    } 
} 

可以看出，喚醒等待隊列就是變量等待隊列的等待進程，然后調用喚醒函數來喚醒它們。