Переход в приостановленное состояние и возврат к выполнению
Приостановленное состояние задачи (состояние ожидания, заблокированное состояние, sleeping, blocked) представляет собой специальное состояние задачи, в котором задание не выполняется. Это является очень важным, так как в противном случае планировщик выбирал бы на выполнение задания, которые не "хотят" выполняться, или, хуже того, состояние ожидания должно было бы быть реализовано в виде цикла, занимающего время процессора. Задачи могут переходить в приостановленное состояние по нескольким причинам, но в любом случае— в ожидании наступления некоторого события. Событием может быть ожидание наступления некоторого момента
времени, ожидание следующей порции данных при файловом вводе-выводе или другое событие в аппаратном обеспечении. Задача также может переходить в приостановленное состояние непроизвольным образом, когда она пытается захватить семафор в режиме ядра (эта ситуация рассмотрена в главе 9, "Средства синхронизации в ядре"). Обычная причина перехода в приостановленное состояние — это выполнение операций файлового ввода-вывода, например задание вызывает функцию
read
для файла, который необходимо считать с диска. Еще один пример— задача может ожидать на ввод данных с клавиатуры. В любом случае ядро ведет себя одинаково: задача помечает себя как находящуюся в приостановленном состоянии, помещает себя в очередь ожидания (wail queue), удаляет себя из очереди выполнения и вызывает функцию
schedule
для выбора нового процесса на выполнение. Возврат к выполнению (wake up) происходит в обратном порядке: задача помечает себя как готовую к выполнению, удаляет себя из очереди ожидания и помещает себя в очередь выполнения.
Как указывалось в предыдущей главе, с приостановленным состоянием связаны два значения поля состояния процесса:
TASK_INTERRUPTIBLE
и
TASK_UNINTERRUPTIBLE
. Они отличаются только тем, что в состоянии
TASK_UNINTERRUPTIBLE
задача игнорирует сигналы, в то время как задачи в состоянии
TASK_INTERRUPTIBLE
возвращаются к выполнению преждевременно и обрабатывают пришедший сигнал. Оба типа задач, находящихся в приостановленном состоянии, помещаются в очередь ожидания, ожидают наступления некоторого события и не готовы к выполнению.
Приостановленное состояние обрабатывается с помощью очередей ожидания (wait queue). Очередь ожидания — это просто список процессов, которые ожидают наступления некоторого события. Очереди ожидания в ядре представляются с помощью типа данных
wait_queue_head_t
. Они могут быть созданы статически с помощью макроса
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD
или выделены динамически с последующей инициализацией с помощью функции
init_waitqueue_head
. Процессы помещают себя в очередь ожидания и устанавливают себя в приостановленное состояние. Когда происходит событие, связанное с очередью ожидания, процессы, находящиеся в этой очереди, возвращаются к выполнению. Важно реализовать переход в приостановленное состояние и возврат к выполнению правильно, так чтобы избежать конкуренции за ресурсы (race).
Существуют простые интерфейсы для перехода в приостановленное состояние, и они широко используются. Однако использование этих интерфейсов может привести к состояниям конкуренции: возможен переход в приостановленное состояние после того, как соответствующее событие уже произошло. В таком случае задача может находиться в приостановленном состоянии неопределенное время. Поэтому рекомендуется следующий метод для перехода в приостановленное состояние в режиме ядра.
/* пусть q — это очередь ожидания (созданная в другом месте) ,
где мы хотим находиться в приостановленном состоянии */
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
add_wait_queue(q, &wait);
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* или TASK_UNINTERRUPTIBLE */
/* переменная condition характеризует наступление события,
которого мы ожидаем */
while (!condition)
schedule;
set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(q, &wait);
Опишем
шаги, которые должна проделать задача для того, чтобы поместить себя в очередь ожидания.
• Создать элемент очереди ожидания с помощью макроса
DECLARE_WAITQUEUE
.
• Добавить себя в очередь ожидания с помощью функции
add_wait_queue
. С помощью этой очереди ожидания процесс будет возвращен в состояние готовности к выполнению, когда условие, на выполнение которого ожидает процесс, будет выполнено. Конечно, для этого где-то в другом месте должен быть код, который вызывает функцию
wake_up
для данной очереди, когда произойдет соответствующее событие.
• Изменить состояние процесса в значение
TASK_INTERRUPTIBLE
или
TASK_UNINTERRUPTIBLE
.
• Проверить, не выполнилось ли ожидаемое условие. Если выполнилось, то больше нет необходимости переходить в приостановленное состояние. Если нет, то вызвать функцию
schedule
.
• Когда задача становится готовой к выполнению, она снова проверяет выполнение ожидаемого условия. Если условие выполнено, то производится выход из цикла. Если нет, то снова вызывается функция
schedule
и повторяется проверка условия.
• Когда условие выполнено, задача может установить свое состояние в значение
TASK_RUNNING
и удалить себя из очереди ожидания с помощью функции
remove_wait_queue
.
Если условие выполнится перед тем, как задача переходит в приостановленное состояние, то цикл прервется и задача не перейдет в приостановленное состояние по ошибке. Следует заметить, что во время выполнения тела цикла код ядра часто может выполнять и другие задачи. Например, перед выполнением функции
schedule
может возникнуть необходимость освободить некоторые блокировки и захватить их снова после возврата из этой функции; если процессу был доставлен сигнал, то необходимо возвратить значение
– ERESTARTSYS
; может возникнуть необходимость отреагировать на некоторые другие события.
Возврат к выполнению (wake up) производится с помощью функции
wake_up
, которая возвращает все задачи, ожидающие в данной очереди, в состояние готовности к выполнению. Вначале вызывается функция
try_to_wake_up
, которая устанавливает поле состояния задачи в значение
TASK_RUNNING
, далее вызывается функция
activate_task
для добавления задачи в очередь выполнения и устанавливается флаг
need_resched
в ненулевое значение, если приоритет задачи, которая возвращается к выполнению, больше приоритета текущей задачи. Код, который отвечает за наступление некоторого события, обычно вызывает функцию
wake_up
после того, как это событие произошло. Например, после того как данные прочитаны с жесткого диска, подсистема VFS вызывает функцию
wake_up
для очереди ожидания, которая содержит все процессы, ожидающие поступления данных.
Важным может быть замечание о том, что переход в приостановленное состояние часто сопровождается ложными переходами к выполнению. Это возникает потому, что переход задачи в состояние выполнения не означает, что событие, которого ожидала задача, уже наступило: поэтому переход в приостановленное состояние должен всегда выполняться в цикле, который гарантирует, что условие, на которое ожидает задача, действительно выполнилось (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Переход в приостановленное состояние (sleeping) и возврат к выполнению (wake up)