DragonOS/docs/kernel/sched/c_waiting.md

与“等待”相关的api（C语言）

:::{warning}

随着内核的发展，我们将会逐步将C语言的等待机制替换为Rust语言的等待机制。在这个过程中，我们将会同时保留C语言和Rust语言的等待机制，以便于我们在开发过程中进行对比。 待时机成熟，我们将会逐步将C语言的等待机制移除。 :::

  如果几个进程需要等待某个事件发生，才能被运行，那么就需要一种“等待”的机制，以实现进程同步。

一. wait_queue等待队列

  wait_queue是一种进程同步机制，中文名为“等待队列”。它可以将当前进程挂起，并在时机成熟时，由另一个进程唤醒他们。

  当您需要等待一个事件完成时，使用wait_queue机制能减少进程同步的开销。相比于滥用自旋锁以及信号量，或者是循环使用usleep(1000)这样的函数来完成同步，wait_queue是一个高效的解决方案。

:::{warning} wait_queue.h中的等待队列的实现并没有把队列头独立出来，同时没有考虑为等待队列加锁。所以在后来的开发中加入了wait_queue_head_t的队列头实现，实质上就是链表+自旋锁。它与wait_queue.h中的队列wait_queue_node_t是兼容的，当你使用struct wait_queue_head作为队列头时，你同样可以使用等待队列添加节点的函数。 :::

简单用法

  等待队列的使用方法主要分为以下几部分：

• 创建并初始化一个等待队列
• 使用wait_queue_sleep_on_系列的函数，将当前进程挂起。晚挂起的进程将排在队列的尾部。
• 通过wait_queue_wakeup()函数，依次唤醒在等待队列上的进程，将其加入调度队列

  要使用wait_queue，您需要#include<common/wait_queue.h>，并创建一个wait_queue_node_t类型的变量，作为等待队列的头部。这个结构体只包含两个成员变量：

typedef struct
{
    struct List wait_list;
    struct process_control_block *pcb;
} wait_queue_node_t;

  对于等待队列，这里有一个好的命名方法：

wait_queue_node_t wq_keyboard_interrupt_received;

  这样的命名方式能增加代码的可读性，更容易让人明白这里到底在等待什么。

初始化等待队列

  函数wait_queue_init(wait_queue_node_t *wait_queue, struct process_control_block *pcb)提供了初始化wait_queue结点的功能。

  当您初始化队列头部时，您仅需要将wait_queue首部的结点指针传入，第二个参数请设置为NULL

将结点插入等待队列

  您可以使用以下函数，将当前进程挂起，并插入到指定的等待队列。这些函数大体功能相同，只是在一些细节上有所不同。

函数名	解释
wait_queue_sleep_on()	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE
wait_queue_sleep_on_unlock()	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE。待当前进程被插入等待队列后，解锁给定的自旋锁
wait_queue_sleep_on_interriptible()	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_INTERRUPTIBLE

从等待队列唤醒一个进程

  您可以使用void wait_queue_wakeup(wait_queue_node_t * wait_queue_head, int64_t state);函数，从指定的等待队列中，唤醒第一个挂起时的状态与指定的state相同的进程。

  当没有符合条件的进程时，将不会唤醒任何进程，仿佛无事发生。

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二. wait_queue_head等待队列头

   数据结构定义如下：

typedef struct
{
    struct List wait_list;
    spinlock_t lock;  // 队列需要有一个自旋锁,虽然目前内部并没有使用,但是以后可能会用.
} wait_queue_head_t;

   等待队列头的使用逻辑与等待队列实际是一样的，因为他同样也是等待队列的节点(仅仅多了一把锁)。且wait_queue_head的函数基本上与wait_queue一致，只不过多了***_with_node_***的字符串。

   同时，wait_queue.h文件中提供了很多的宏，可以方便您的工作。

提供的宏

宏	解释
DECLARE_WAIT_ON_STACK(name, pcb)	在栈上声明一个wait_queue节点，同时把pcb所代表的进程与该节点绑定
DECLARE_WAIT_ON_STACK_SELF(name)	传在栈上声明一个wait_queue节点，同时当前进程(即自身进程)与该节点绑定
DECLARE_WAIT_ALLOC(name, pcb)	使用kzalloc声明一个wait_queue节点，同时把pcb所代表的进程与该节点绑定，请记得使用kfree释放空间
DECLARE_WAIT_ALLOC_SELF(name)	使用kzalloc声明一个wait_queue节点，同时当前进程(即自身进程)与该节点绑定，请记得使用kfree释放空间

创建等待队列头

   您可以直接调用宏

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(m_wait_queue_head);  // 在栈上声明一个队列头变量

   也可以手动声明

struct wait_queue_head_t m_wait_queue_head = {0}; 
wait_queue_head_init(&m_wait_queue_head);

将结点插入等待队列

函数名	解释
wait_queue_sleep_with_node(wait_queue_head_t *head, wait_queue_node_t *wait_node)	传入一个等待队列节点，并设置该节点的挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE
wait_queue_sleep_with_node_unlock(wait_queue_head_t *q, wait_queue_node_t *wait, void *lock)	传入一个等待队列节点，将该节点的pcb指向的进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE。待当前进程被插入等待队列后，解锁给定的自旋锁
wait_queue_sleep_with_node_interriptible(wait_queue_head_t *q, wait_queue_node_t *wait)	传入一个等待队列节点，将该节点的pcb指向的进程挂起，并设置挂起状态为PROC_INTERRUPTIBLE

从等待队列唤醒一个进程

   在wait_queue.h中的wait_queue_wakeup函数直接kfree掉了wait_node节点。对于在栈上的wait_node,您可以选择wait_queue_wakeup_on_stack(wait_queue_head_t *q, int64_t state)来唤醒队列里面的队列头节点。

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三. completion完成量

简单用法

  完成量的使用方法主要分为以下几部分：

• 声明一个完成量(可以在栈中/使用kmalloc/使用数组)
• 使用wait_for_completion等待事件完成
• 使用complete唤醒等待的进程

   等待操作

void wait_fun() {
    DECLARE_COMPLETION_ON_STACK(comp);  // 声明一个completion 

    // .... do somethind here 
    // 大部分情况是你使用kthread_run()创建了另一个线程
    // 你需要把comp变量传给这个线程, 然后当前线程就会等待他的完成

    if (!try_wait_for_completion(&comp))  // 进入等待
        wait_for_completion(&comp);
}

   完成操作

void kthread_fun(struct completion *comp) {
    // ...... 做一些事  .......
    // 这里你确定你完成了目标事件

    complete(&comp);
    // 或者你使用complete_all
    complete_all(&comp);
}

更多用法

   kernel/sched/completion.c文件夹中,你可以看到 __test 开头的几个函数,他们是completion模块的测试代码,基本覆盖了completion的大部分函数.你可以在这里查询函数使用方法.

初始化完成量

   函数completion_init(struct completion *x)提供了初始化completion的功能。当你使用DECLARE_COMPLETION_ON_STACK来创建(在栈上创建)的时候,会自动初始化.

关于完成量的wait系列函数

函数名	解释
wait_for_completion(struct completion *x)	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE。
wait_for_completion_timeout(struct completion *x, long timeout)	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE。当等待timeout时间(jiffies时间片)之后,自动唤醒进程。
wait_for_completion_interruptible(struct completion *x)	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_INTERRUPTIBLE。
wait_for_completion_interruptible_timeout(struct completion *x, long timeout)	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_INTERRUPTIBLE。当等待timeout时间(jiffies时间片)之后,自动唤醒进程。
wait_for_multicompletion(struct completion x[], int n)	将当前进程挂起，并设置挂起状态为PROC_UNINTERRUPTIBLE。(等待数组里面的completion的完成)

关于完成量的complete系列函数

函数名	解释
complete(struct completion *x)	表明一个事件被完成,从等待队列中唤醒一个进程
complete_all(struct completion *x)	表明与该completion有关的事件被标记为永久完成,并唤醒等待队列中的所有进程

其他用于查询信息的函数

函数名	解释
completion_done(struct completion *x)	查询completion的done变量是不是大于0，如果大于0，返回true；否则返回false。在等待前加上这个函数有可能加速？(暂未经过实验测试，有待证明)
try_wait_for_completion(struct completion *x)	查询completion的done变量是不是大于0，如果大于0，返回true(同时令done-=1)；否则返回false。在等待前加上这个函数有可能加速？（该函数和completion_done代码逻辑基本一致，但是会主动令completion的done变量减1）