Linux操作系统源代码详细分析（二） （5）

然而在这一点上也并不是真的无药可救。使用这种解决方案的最大问题在于该内核循环的形式中也要留意新行标志符，因此使用memcpy将整个消息拷贝到log_buf中是不正确的：如果此处存在新行，我们将无法对其进行处理。

我们可以试验一个一箭双雕的办法。下面这种替代的尝试虽然可能比前面那种初步解决方法速度要慢，但是它保持了内核版本的语意：

（请注意gcc的优化器十分灵敏，它足以能检测到循环内部的表达式log_buf+LOG_BUF_LEN并没有改变，因此在上面的循环中试图手工加速计算是没有任何效果的。）

不幸的是，这种方法并不能比现在的内核版本在速度上快许多，而且那样会使得代码晦涩难懂（如果你编写过更新log_size和log_start的代码，你就能清楚地了解这一点）。你可以自己决定这种折衷是否值得。然而无论怎样，我们学到了一些东西，通常，不管成功与否，改进内核代码都可以加深你对内核工作原理的理解。

2.2.2 等待队列

前一节我们曾简要的提到进程（也就是正在运行的程序）可以转入休眠状态以等待某个特定事件，当该事件发生时这些进程能够被再次唤醒。内核实现这一功能的技术要点是把等待队列（wait queue）和每一个事件联系起来。需要等待事件的进程在转入休眠状态后插入到队列中。当事件发生之后，内核遍历相应队列，唤醒休眠的任务让它投入运行状态。任务负责将自己从等待队列中清除。

等待队列的功能强大得令人吃惊，它们被广泛应用于整个内核中。更重要的是，实现等待队列的代码量并不大。

1. wait_queue结构

18662：简单的数据结构就是等待队列节点，它包含两个元素：

* task—指向struct task_struct结构的指针，它代表一个进程。从16325行开始的struct task_struct结构将在第7章中进行介绍。

* next—指向队列中下一节点的指针。因而，等待队列实际上是一个单链表。

通常，我们用指向等待队列队首的指针来表示等待队列。例如，printk使用的等待队列log_wait（25647行）。

2. wait_event

16840：通过使用这个宏，内核代码能够使当前执行的进程在等待队列wq中等待直至给定condition（可能是任何的表达式）得到满足。

16842：如果条件已经为真，当前进程显然也就无需等待了。

16844：否则，进程必须等待给定条件转变为真。这可以通过调用__wait_event来实现（16824行），我们将在下一节介绍它。由于__wait_event已经同wait_event分离，已知条件为假的部分内核代码可以直接调用__wait_queue，而不用通过宏来进行冗余的（特别是在这些情况下）测试，实际上也没有代码会真正这样处理。更为重要的是，如果条件已经为真，wait_event会跳过将进程插入等待队列的代码。

注意wait_event的主体是用一个比较特殊的结构封闭起来的：

奇怪的是，这个小技巧并没有得到应有的重视。这里的主要思路是使被封闭的代码能够像一个单句一样使用。考虑下面这个宏，该宏的目的是如果p是一个非空指针，则调用free：

除非你在如下所述的情况下使用FREE1，否则所有调用都是正确有效的：

FREE1经扩展以后，else就和错误的if（FREE1的if）联系在一起。

有些程序员通过如下途径解决这种问题：

这两种方法都不尽人意，程序员在调用宏以后自然而然使用的分号会把扩展信息弄乱。以FREE2为例，在宏展开之后，为了使编译器能更准确地识别，我们还需要进行一定的缩进调节，最终代码如下所示：

这样就会引起语法错误—else和任何一个if都不匹配。FREE3从本质上讲也存在同样的问题。而且在研究问题产生原因的同时，就能够明白为什么宏体里是否包含if是无关紧要的。不管宏体内部内容如何，只要使用一组括号来指定宏体，就会碰到相同的问题。

引入do/while(0)技巧能够克服前面所出现的所有问题，现在我们可以编写FREE4。

将FREE4和其他宏一样插入相同代码之后，这段代码当然可以正确执行。编译器能够优化这个伪循环，舍弃循环控制，因此执行代码并没有速度的损失，我们也从而得到了能够实现理想功能的宏。

虽然这是一个可以接受的解决方案，但是我们不能不提到的是编写函数要比编写宏好得多。不过如果你不能提供函数调用所需的开销，那么就需要使用内联函数。这种情况虽然在内核中经常出现，但是在其他地方就要少得多。（不可否认，当使用C++、gcc或者任何实现了将要出现的修正版ISO标准C的编译器时，这种方案只是一种选择，就是最后为C增加内联函数。）

3. __wait_event

16824：__wait_event使当前进程在等待队列wq中等待，直至condition为真。

16829：通过调用add_wait_queue（16791行），局部变量__wait可以被链接到队列上。注意__wait是在堆栈中而不是在内核堆中分配空间，这是内核中常用的一种技巧。在宏运行结束之前，__wait就已经被从等待队列中移走了，因此等待队列中指向它的指针总是有效的。

16830：重复分配CPU给另一个进程直至条件满足，这一点将在下面几节中讨论。

16831：进程被置为TASK_UNINTERRUPTIBLE状态（16190行）。这意味着进程处于休眠状态，不应被唤醒，即使是信号也不能打断该进程的休眠。信号在第6章中介绍，而进程状态则在第7章中介绍。

16832：如果条件已经满足，则可以退出循环。

请注意如果在第一次循环时条件就已经满足，那么前面一行的赋值就浪费了（因为在循环结束之后进程状态会立刻被再次赋值）。__wait_event假定宏开始执行时条件还没有得到满足。而且，这种对进程状态变量state的延迟赋值也并没有什么害处。在某些特殊情况下，这种方法还十分有益。例如当__wait_event开始执行时条件为假，但是在执行到16832行时就为真了。这种变化只有在为有关进程状态的代码计算condition变量值时才会出现问题。但是在代码中这种情况我没有发现。

16834：调用schedule（26686行，在第7章中讨论）将CPU转移给另一个进程。直到进程再次获得CPU时，对schedule的调用才会返回。这种情况只有当等待队列中的进程被唤醒时才会发生。

16836：进程已经退出了，因此条件必定已经得到了满足。进程重置TASK_RUNNING的状态（16188行），使其适合CPU运行。

16837：通过调用remove_wait_queue（16814行）将进程从等待队列中移去。wait_event_interruptible和__wait_event_interruptible（分别参见16868行和16847）基本上与wait_event和__wait_event相同，但不同的是它们允许休眠的进程可以被信号中断。信号将在第6章中介绍。

请注意wait_event是被如下结构所包含的。

和do/while(0)技巧一样，这样可以使被封闭起来的代码能够像一个单元一样运行。这样的封闭代码就是一个独立的表达式，而不是一个独立的语句。也就是说，它可以求值以供其他更复杂的表达式使用。发生这种情况的原因主要在于一些不可移植的gcc特有代码的存在。通过使用这类技巧，一个程序块中的最后一个表达式的值将定义为整个程序块的最终值。当在表达式中使用wait_event_interruptible时，执行宏体后赋__ret的值为宏体的值（参见16873行）。对于有Lisp背景知识的程序员来说，这是个很常见的概念。但是如果你仅仅了解一点C和其他一些相关的过程性程序设计语言，你可能就会觉得比较奇怪。

__wake_up

26829：该函数用来唤醒等待队列中正在休眠的进程。它由wake_up和wake_up_ interruptible调用（请分别参见16612行和16614行）。这些宏提供mode参数，只有状态满足mode所包含的状态之一的进程才可能被唤醒。

26833：正如将在第10章中详细讨论的那样，锁（lock）是用来限制对资源的访问，这在SMP逻辑单元中尤其重要，因为在这种情况下当一个CPU在修改某数据结构时，另一个CPU可能正在从该数据结构中读取数据，或者也有可能两个CPU同时对同一个数据结构进行修改，等等。在这种情况下，受保护的资源显然是等待队列。非常有趣的是所有的等待队列都使用同一个锁来保护。虽然这种方法要比为每一个等待队列定义一个新锁简单得多，但是这就意味着SMP逻辑单元可能经常会发现自己正在等待一个实际上并不必须的锁。

26838：本段代码遍历非空队列，为队列中正确状态的每一个进程调用wake_up_process（26356行）。如前所述，进程（队列节点）在此可能并没有从队列中移走。这在很大程度上是由于即使队列中的进程正在被唤醒，它仍然可能希望继续存在于等待队列中，这一点正如我们在__wait_event中发现的问题一样。