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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。