内核等待队列以及用户态的类似机制

内核态-等待队列

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咱们今天来唠唠 Linux 内核里的 “等待队列”—— 这东西说白了，就是内核里的 “候诊室”，专门管那些暂时 “没活儿干” 的进程。你想啊，要是进程们都跟没头苍蝇似的，明明条件不满足还死盯着 CPU 要干活，那系统不得乱成一锅粥？等待队列就是那个穿白大褂的护士，柔声说：“您先坐着等，叫到号再进来。”

概括一下：“等待队列”用于解决进程等待某个条件的问题，是同步机制，涉及进程阻塞与唤醒。

一、啥是等待队列？先整个接地气的类比

想象你去奶茶店买喝的：

• 你（进程）想要一杯 “珍珠奶茶”（某个资源，比如锁、数据就绪）
• 店员说：“珍珠还在煮，您先在旁边等会儿，好了叫您”（条件不满足，进入等待队列）
• 你找个椅子坐下刷手机（进程睡眠，释放 CPU）
• 珍珠煮好了，店员喊：“等珍珠奶茶的来拿！”（条件满足，唤醒等待队列里的进程）

这就是等待队列的核心逻辑：让进程在条件不满足时乖乖睡觉，条件满足时再叫醒，避免无效占用 CPU。要是没这机制，进程就得像个愣头青似的，每隔 100ms 就跑过去问 “好了没”（忙轮询），纯属浪费感情（CPU 资源）。

二、核心 “工具”：数据结构 和 函数

内核里管理这个 “候诊室” 得有套规矩，咱们看看关键的 “道具”：

1. 等待队列头（wait_queue_head_t）

这玩意儿就是 “候诊室门口的签到台”，所有要等的进程都得来这儿排队并登记。它本质是个链表头。当多个进程等待同一个事件时，这些进程就会被组织成一个等待队列。等待队列头长这样：

/* include/linux/wait.h */
struct wait_queue_head {spinlock_t lock;          // 保护队列的锁（防止多人同时改签到表）struct list_head head;    // 进程链表（排队的人）
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

初始化这个 “签到台” 得用init_waitqueue_head()：

wait_queue_head_t wq;
init_waitqueue_head(&wq);  // 相当于摆好签到台，准备迎接排队的人

或者你嫌弃上面两个步骤太繁琐，直接用下面这个宏：

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \struct wait_queue_head name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

既定义了等待队列头同时也完成了初始化，你只需要给他命个名就完事儿了。内核总是熟练的让人省心。

2. 等待队列项（wait_queue_entry_t）

每个来排队的进程都得填写一张“挂号单”，记录自己是谁，等哪个医师。定义简化版长这样：

struct wait_queue_entry {unsigned int            flags;void                    *private;wait_queue_func_t       func; struct list_head        entry; // 链表节点（把自己挂到签到台的链表上）
};/* include/linux/wait.h */
typedef struct wait_queue_entry wait_queue_entry_t; 

动态初始化挂号单（等待队列项）用init_waitqueue_entry()

//例如：
wait_queue_entry_t wait;
init_waitqueue_entry(&wait, current);  // current是当前进程，相当于"我叫张三，来排队"// init_waitqueue_entry函数实现如下
static inline void init_waitqueue_entry(struct wait_queue_entry *wq_entry, struct task_struct *p)
{wq_entry->flags         = 0;wq_entry->private       = p;wq_entry->func          = default_wake_function;
}

，还有种静态初始化等待队列项目方法：DEFINE_WAIT(name)

#define DEFINE_WAIT_FUNC(name, function)                                        \struct wait_queue_entry name = {                                        \.private        = current,                                      \.func           = function,                                     \.entry          = LIST_HEAD_INIT((name).entry),                 \}#define DEFINE_WAIT(name) DEFINE_WAIT_FUNC(name, autoremove_wake_function)

等待队列头（管理节点）与 等待队列项（个体节点）通过链表结构串联起来，关系如下图：

3. 核心"操作"：“坐下等” 和 “叫号”

（1）进程 “坐下等”：wait_event 系列宏

进程主动说: “我要等，条件不满足别叫我” 的操作，最常用的是wait_event()和wait_event_interruptible()。

• wait_event(wq_head, condition) 位于 include/linux/wait.h

  wq_head：为等待队列头

  condition：期望的条件

  翻译一下：“我在wq_head这个候诊室等候，条件 condition 满足了再叫我。期间就算有人喊我（发信号），我也不搭理！"（（不可中断睡眠，适合必须等到结果的场景））

• wait_event_interruptible(wq_head, condition) 位于 include/linux/wait.h

  翻译一下：“我情况跟wait_event差不多，但是器件如果有紧急电话（信号）找我，我可能要先走。”（可中断睡眠，返回 0 表示正常唤醒，-ERESTARTSYS 表示被信号打断）

类比场景：wait_event就像死等奶茶，老婆打电话说家里着火了也得等。而wait_event_interruptible是能被信号劝走的等。

wait_event的底层逻辑其实是个循环（防止 “虚假唤醒”，比如护士喊错人）：

/* 伪代码理解 */
#define wait_event(wq, condition) \
{struct wait_queue_entry __wq_entry; //创建等待队列项 \init_wait_entry(&__wq_entry, exclusive ? WQ_FLAG_EXCLUSIVE : 0); //初始化等待队列项 \for (;;) { \if (condition) break;  // 条件满足，直接走 \// 利用刚创建的等待队列项，把进程自身挂到等待队列 \add_wait_queue(&__wq_entry, &wq_entry); \// 睡过去，释放CPU \schedule(); \} 
}

（2）唤醒进程：wake_up 系列函数

当条件满足时（比如珍珠煮好了），就得叫醒排队的人，常用的有：

• wake_up(&wq)：

  当前“签到台”的所有人，都起来看看条件是不是满足了，会唤醒wait_event和wait_event_interruptible所在的进程。

• wake_up_interruptible(&wq)：

  只能唤醒当前“签到台”中这些wait_event_interruptible能被劝走的，wait_event这种死等的继续睡。

类比场景：

三、注意事项：别在候诊室干蠢事

1. 条件判断必须用循环

内核里可能出现 “虚假唤醒”（比如别的进程误操作唤醒了你），所以wait_event宏本身就是循环。

2. 锁和等待队列要配合好

当操作等待队列头挂的等待队列时，要用好等待队列头wait_queue_head_t里的lock自旋锁，避免竞态。

3. 中断里唤醒要小心

可以在中断里使用wake_up，但绝不能使用wait_event.

4. 别让队列变成 “死胡同”

要是唤醒后条件还是不满足，进程会重新睡过去 —— 但如果没人再唤醒它，就会 “永眠”（死锁）。比如奶茶店店员忘了喊人，你就永远坐在那儿等。所以一定要确保：唤醒操作和条件满足是绑定的。

5. wake_up函数本身创建并初始化等待队列项

查看内核代码，你会发现，wake_up本身就创建一个 struct wait_queue_entry 类型的等待队列项。

四、总结（记住关键工具）

等待队列是内核中的智能候诊室，让该等待的进程好好睡，该干活的进程不耽误，CPU资源不浪费，记住几个关键词：

• 签到台：等待队列头（wait_queue_head_t），所有客人都得来这排队。
• 挂号单：等待队列项（struct wait_queue_entry），客人排队需要用到的挂号单（虽然这部分代码隐藏在wait_event函数内）。
• 客人坐下等：wait_event 系列宏，客人拿着挂号单去签到台排队。
• 服务员叫号：wake_up系列函数，服务员去特定的签到台队伍叫号。

五、拓展（类似功能函数）

其他与进程等待wait_event类似的函数：

wait_event_interrupable()//使得进程处于可中断(TASK_INTERRUPTIBLE)状态，从而睡眠进程可以通过接收信号被唤醒；
wait_event_timeout()//等待满足指定的条件，但是如果等待时间超过指定的超时限制则停止睡眠，可以防止进程永远睡眠；
wait_event_interruptible_timeout() //使得进程睡眠，不但可以通过接收信号被唤醒，也具有超时限制。

与进程唤醒wake_up类似的函数：

#define wake_up(x)                      __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
#define wake_up_nr(x, nr)               __wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)
#define wake_up_all(x)                  __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)
#define wake_up_locked(x)               __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 1)
#define wake_up_all_locked(x)           __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 0)
#define wake_up_sync(x)                 __wake_up_sync(x, TASK_NORMAL)#define wake_up_interruptible(x)        __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)
#define wake_up_interruptible_all(x)    __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)
#define wake_up_interruptible_sync(x)   __wake_up_sync((x), TASK_INTERRUPTIBLE)

六、代码举例

/*a simple wait_queue demo*task_1,task_2 added into the wait_queue, if condition is 0.*task_3 change condition to 1, and task_1 task_2 will be wake up*/#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/delay.h>MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("cengku@gmail.com");static int condition; // 共享条件
static struct task_struct *task_1;
static struct task_struct *task_2;
static struct task_struct *task_3;DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wq); //定义并初始化等待队列头，wqstatic int thread_func_1(void *data)
{int i = 0;while (i++ < 100) {wait_event(wq, condition == 1); //该函数内定义并初始化等待队列项，条件不满足，则将其挂到wqmsleep(1000);printk(">>>>>this task 1\n");}return 0;
}static int thread_func_2(void *data)
{int i = 0;while (i++ < 100) {wait_event(wq, condition == 1);msleep(1000);printk(">>>>>this task 2\n");}return 0;
}
static int thread_func_3(void *data)
{int i = 0;while (i++ < 10) {condition = 0;msleep(2000);printk(">>>>>this task 3\n");condition = 1;wake_up(&wq);msleep(2000);}return 0;
}static int __init mod_init(void)
{printk("=====mod set up===\n");condition = 0;task_1 = kthread_run(thread_func_1, NULL, "thread%d", 1);if (IS_ERR(task_1))printk("**********create thread 1 failed\n");elseprintk("======success create thread 1\n");task_2 = kthread_run(thread_func_2, NULL, "thread%d", 2);if (IS_ERR(task_2))printk("**********create thread 2 failed\n");elseprintk("======success create thread 2\n");task_3 = kthread_run(thread_func_3, NULL, "thread%d", 3);if (IS_ERR(task_3))printk("**********create thread 3 failed\n");elseprintk("======success create thread 3\n");return 0;
}static void __exit mod_exit(void)
{int ret;if (!IS_ERR(task_1)) {ret = kthread_stop(task_1);if (ret > 0)printk("<<<<<<<<, ret);}if (!IS_ERR(task_2)) {ret = kthread_stop(task_2);if (ret > 0)printk("<<<<<<<<, ret);}if (!IS_ERR(task_3)) {ret = kthread_stop(task_3);if (ret > 0)printk("<<<<<<<<, ret);}
}
module_init(mod_init);
module_exit(mod_exit);

用户态-等待队列

用户态代码也有类似内核等待队列的机制，不就是让线程满足条件唤醒，不满足休眠嘛。使用pthread_cond_wait 与 pthread_cond_broadcast 这两个用户态代码实现就行了。如果理解了内核等待队列，这个也类似，且用起来更简单.涉及到的知识点 条件变量pthread_cond_t，唤醒过程使用的信号并非系统信号，注意区分。

一、核心"工具"与用法

两个函数是条件变量机制的核心接口，用于实现线程间的”等待-通知“同步，举例子，当一些线程需要等待某个条件满足时，通过pthread_cond_wait 阻塞，当条件满足时，其他线程可以调用pthread_cond_broadcast（或 pthread_cond_signal）将这些等待的线程唤醒。

基本用法

• 前提：条件变量必须与互斥锁（mutex）配合，确保对"条件"的修改是原子操作。
• 流程：
  1. 线程加锁（pthread_mutex_lock）。
  2. 检查条件是否满足：
     • 若不满足，调用 pthread_cond_wait 阻塞等待（此时会自动释放互斥锁，允许其他线程修改条件）。
     • 若满足，执行后续操作。
  3. 其他线程修改条件后，通过 pthread_cond_broadcast 唤醒所有等待的线程（或 pthread_cond_signal 唤醒一个）。
  4. 被唤醒的线程重新获取互斥锁，再次检查条件（防止虚假唤醒），执行后续操作并解锁。

代码举例

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //定义互斥锁变量并静态初始化，比动态初始化更简洁
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //定义条件变量并静态初始化，用于线程间等待-通知机制
int condition = 0;  // 共享条件// 等待条件的线程
void *waiter(void *arg) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 循环检查条件（防止虚假唤醒）while (condition == 0) {printf("等待条件满足...\n");// 阻塞等待，自动释放mutex，被唤醒后重新获取mutexpthread_cond_wait(&cond, &mutex);}printf("条件已满足，执行操作...\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}// 唤醒等待的线程
void *notifier(void *arg) {pthread_mutex_lock(&mutex);condition = 1;  // 修改条件printf("条件已修改，广播唤醒所有等待线程...\n");pthread_cond_broadcast(&cond);  // 唤醒所有等待的线程pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2, t3;pthread_create(&t1, NULL, waiter, NULL);pthread_create(&t2, NULL, waiter, NULL);pthread_create(&t3, NULL, notifier, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

运行结果：

等待条件满足...
等待条件满足...
条件已修改，广播唤醒所有等待线程...
条件已满足，执行操作...
条件已满足，执行操作...

二、功能类比

• 内核等待队列：内核态中，进程 / 线程通过 wait_event 等宏等待事件，通过 wake_up 等函数唤醒，用于内核内部同步。
• pthread 条件变量：用户态中，线程通过 pthread_cond_wait 等待条件，通过 pthread_cond_broadcast 唤醒，用于用户态线程同步。
  两者本质都是 “等待 - 通知” 机制，只是处于不同的运行态（内核态 vs 用户态）。但是用户态的接口更简单，使用起来省心多了，但是本质上也依赖等待队列机制。

三、总结

• pthread_cond_wait 和 pthread_cond_broadcast 是用户态 pthread 库的函数，用于用户态线程同步。
• 用法上需配合互斥锁，通过 “等待 - 广播” 机制实现线程间的条件同步。
• 它们的底层实现依赖内核的等待队列（或类似机制），是内核态同步原语在用户态的封装。