第44回 | 进程的阻塞与唤醒
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2022-07-24 22:54
新读者看这里，老读者直接跳过。
本系列会以一个读小说的心态，从开机启动后的代码执行顺序，带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码，了解操作系统的技术细节和设计思想。
本系列的 GitHub 地址如下，希望给个 star 以示鼓励（文末阅读原文可直接跳转，也可以将下面的链接复制到浏览器里打开）
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
本回的内容属于第五部分。
你会跟着我一起，看着一个操作系统从啥都没有开始，一步一步最终实现它复杂又精巧的设计，读完这个系列后希望你能发出感叹，原来操作系统源码就是这破玩意。
以下是已发布文章的列表，详细了解本系列可以先从开篇词看起。
第一部分 进入内核前的苦力活
第二部分 大战前期的初始化工作
第三部分 一个新进程的诞生
第44回 | 进程的阻塞与唤醒（本文）
------- 正文开始 -------
新建一个非常简单的 info.txt 文件。
name:flash
age:28
language:java在命令行输入一条十分简单的命令。
[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
3
这条命令的意思是读取刚刚的 info.txt 文件，输出它的行数。
在上一回中，我们分析了一下 shell 进程是如何读取你的命令的，流程如下图。
当然，这里的 sleep_on 和 wake_up 是进程的阻塞与唤醒机制的实现，我们没有展开讲解。
那我们今天，就详细看看这块的逻辑。
首先，表示进程的数据结构是 task_struct，其中有一个 state 字段表示进程的状态，它在 Linux 0.11 里有五种枚举值。
// shed.h
#define TASK_RUNNING 0 // 运行态
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1 // 可中断等待状态。
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 // 不可中断等待状态
#define TASK_ZOMBIE 3 // 僵死状态
#define TASK_STOPPED 4 // 停止
当进程首次被创建时，也就是 fork 函数执行后，它的初始状态是 0，也就是运行态。
// system_call.s
_sys_fork:
...
call _copy_process
...
// fork.c
int copy_process(...) {
...
p->state = TASK_RUNNING;
...
}
只有当处于运行态的进程，才会被调度机制选中，送入 CPU 开始执行。
// sched.c
void schedule (void) {
...
if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c) {
...
next = i;
}
...
switch_to (next);
}
以上我简单列出了关键代码，基本可以描绘进程调度的大体框架了，不熟悉的朋友还请回顾下 第23回 | 如果让你来设计进程调度。
所以，使得一个进程阻塞的方法非常简单，并不需要什么魔法，只需要将其 state 字段，变成非 TASK_RUNNING 也就是非运行态，即可让它暂时不被 CPU 调度，也就达到了阻塞的效果。
同样，唤醒也非常简单，就是再将对应进程的 state 字段变成 TASK_RUNNING 即可。
Linux 0.11 中的阻塞与唤醒，就是 sleep_on 和 wake_up 函数。
其中 sleep_on 函数将 state 变为 TASK_UNINTERRUPTIBLE。
// sched.c
void sleep_on (struct task_struct **p) {
struct task_struct *tmp;
...
tmp = *p;
*p = current;
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
schedule();
if (tmp)
tmp->state = 0;
}
而 wake_up 函数将 state 变回为 TASK_RUNNING，也就是 0。
// sched.c
void wake_up (struct task_struct **p) {
(**p).state = 0;
}
是不是非常简单？
当然 sleep_on 函数除了改变 state 状态之外，还有些难理解的操作，我们先试着来分析一下。
当首次调用 sleep_on 函数时，比如 tty_read 在 secondary 队列为空时调用 sleep_on，传入的 *p 为 NULL，因为此时还没有等待 secondary 这个队列的任务。
struct tty_queue {
...
struct task_struct * proc_list;
};
struct tty_struct {
...
struct tty_queue secondary;
};
int tty_read(unsigned channel, char * buf, int nr) {
...
sleep_if_empty(&tty->secondary);
...
}
static void sleep_if_empty(struct tty_queue * queue) {
...
interruptible_sleep_on(&queue->proc_list);
...
}
通过 tmp = *p 和 *p = current 两个赋值操作，此时：
tmp = NULL
*p = 当前任务
同时也使得 proc_list 指向了当前任务的 task_struct。
当有另一个进程调用了 tty_read 读取了同一个 tty 的数据时，就需要再次 sleep_on，此时携带的 *p 就是一个指向了之前的"当前任务"的结构体。
那么经过 tmp = *p 和 *p = current 两个赋值操作后，会变成这个样子。
也就是说，通过每一个当前任务所在的代码块中的 tmp 变量，总能找到上一个正在同样等待一个资源的进程，因此也就形成了一个链表。
那么，当某进程调用了 wake_up 函数唤醒 proc_list 上指向的第一个任务时，改任务变会在 sleep_on 函数执行完 schedule() 后被唤醒并执行下面的代码，把 tmp 指针指向的上一个任务也同样唤醒。
// sched.c
void sleep_on (struct task_struct **p) {
struct task_struct *tmp;
...
tmp = *p;
*p = current;
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
schedule();
if (tmp)
tmp->state = 0;
}
永远记住，唤醒其实就是把 state 变成 0 而已。
而上一个进程唤醒后，和这个被唤醒的进程一样，也会走过它自己的 sleep_on 函数的后半段，把它的上一个进程，也就是上上一个进程唤醒。
那么上上一个进程，又会唤醒上上上一个进程，上上上一个进程，又会...
看懂了没，通过一个 wake_up 函数，以及上述这种 tmp 变量的巧妙设计，我们就能制造出唤醒的一连串连锁反应。
当然，唤醒后谁能优先抢到资源，那就得看调度的时机以及调度的机制了，对我们来说相当于听天由命了。
OK，现在我们的 shell 进程，通过 read 函数，中间经过了层层封装，以及后面经过了阻塞与唤醒这一番折腾后，终于把键盘输入的字符们，成功由 tty 中的 secondary 队列，读取并存放与 buf 指向的内存地址处。
[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
接下来，就该解析并执行这条命令了。
// xv6-public sh.c
int main(void) {
static char buf[100];
// 读取命令
while(getcmd(buf, sizeof(buf)) >= 0){
// 创建新进程
if(fork() == 0)
// 执行命令
runcmd(parsecmd(buf));
// 等待进程退出
wait();
}
}
也就是上述函数中的 runcmd 命令。
欲知后事如何，且听下回分解。
------- 关于本系列 -------
本系列的开篇词看这，开篇词
本系列的番外故事看这，让我们一起来写本书？也可以直接无脑加入星球，共同参与这场旅行。
最后，本系列完全免费，希望大家能多多传播给同样喜欢的人，同时给我的 GitHub 项目点个 star，就在阅读原文处，这些就足够让我坚持写下去了！我们下回见。