Linux内核睡眠的三种状态讲解

1开场白

环境：

处理器架构：arm64

内核源码：linux-5.10.50

ubuntu版本：20.04.1

代码阅读工具：vim+ctags+cscope

无论是任务处于用户态还是内核态，经常会因为等待某些事件而睡眠（可能是等待IO读写完成，也可能等待其他内核路径释放一把锁等）。本文来探讨一下，任务处于睡眠中有哪些状态？睡眠对于任务来说究竟意味着什么？内核是如何管理睡眠的任务的？我们会结合内核源代码来分析任务的睡眠，力求全方位角度来剖析。

注：由于篇幅问题，文章分为上下两篇，且这里不区分进程和任务，统一使用任务来表示进程。

主要讲解以下内容：

睡眠的三种状态

睡眠的内核原理

用户态睡眠

内核态睡眠

总结

2. 睡眠的三种状态

任务睡眠有三种状态：

浅度睡眠

中度睡眠

深度睡眠

2.1 浅度睡眠

进程描述符的state使用TASK_INTERRUPTIBLE表示这种状态。

为可中断的睡眠状态，这里可中断是可以被信号所打断（唤醒）。

这里给出被信号打断/唤醒的代码路径：

kernel/signal.c

SYSCALL_DEFINE2（kill， pid_t， pid， int， sig）

->kill_something_info

->__kill_pgrp_info

->group_send_sig_info

->do_send_sig_info

->send_signal

->__send_signal

->complete_signal

->signal_wake_up

-> signal_wake_up_state（t， resume ？ TASK_WAKEKILL ： 0）

->wake_up_state（t， state | TASK_INTERRUPTIBLE）

->try_to_wake_up

可以看到在信号传递的时候，会通过signal_wake_up唤醒从处于可中断睡眠状态的任务。

2.2 中度睡眠

进程描述符的state使用TASK_KILLABLE表示这种状态。

可以被致命信号所打断。

这里给出被致命信号打断/唤醒的代码路径：

include/linux/sched.h

#define TASK_KILLABLE （TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE）

kernel/signal.c

SYSCALL_DEFINE2（kill， pid_t， pid， int， sig）

->kill_something_info

->__kill_pgrp_info

->group_send_sig_info

->do_send_sig_info

->send_signal

->__send_signal

->complete_signal

->

if （sig_fatal（p， sig） &&

¦ ！（signal->flags & SIGNAL_GROUP_EXIT） &&

¦ ！sigismember（&t->real_blocked， sig） &&

¦ （sig == SIGKILL || ！p->ptrace）） { //致命信号

...

signal_wake_up（t， 1）;

-> signal_wake_up_state（t， resume ？ TASK_WAKEKILL ： 0） // resume == 1

-> wake_up_state（t， state | TASK_INTERRUPTIBLE）

->try_to_wake_up

...

}

2.3 深度睡眠

进程描述符的state使用TASK_UNINTERRUPTIBLE表示这种状态。

为不可中断的睡眠状态，不能被任何信号所唤醒（特定条件没有满足发生信号唤醒可能导致数据不一致等问题，这种场景使用这种睡眠状态，如等待IO读写完成）。

3. 睡眠的内核原理

睡眠都是主动发生调度，即主动调用主调度器。

睡眠的主要步骤如下：

1）设置任务状态为睡眠状态

2）记录睡眠的任务

3）发起主动调度

下面我们来详细解读下这几个步骤：

3.1 设置任务状态为睡眠状态

这一步很有必要，一来标识进入了睡眠状态，二来是主调度器会根据睡眠标志将任务从运行队列删除。

注：睡眠状态描述见上一小节！

3.2 记录睡眠的任务

这一步也非常有必要，内核会将即将睡眠的任务记录下来，要么加入到链表中管理，要么使用数据结构记录。

如延迟睡眠场景，内核将即将睡眠的任务记录在定时器相关的数据结构中；可睡眠的信号量场景中，内核将即将睡眠的任务加入到信号量的相关链表中。

记录的目的在于：当唤醒条件满足时，唤醒函数能够找到想要唤醒的任务。

3.3 发起主动调度

这一步是真正进行睡眠的操作，主要是调用主调度器来发起主动调度让出处理器。

下面我们来看下主调度器为任务睡眠所作的处理：

kernel/sched/core.c

__schedule

->

prev_state = prev->state; //获得前一个任务状态

if （！preempt && prev_state） { //如果是主动调度 且任务状态不为0

if （signal_pending_state（prev_state， prev）） { //有挂起的信号

prev->state = TASK_RUNNING; //设置状态为可运行

} else {

deactivate_task（rq， prev， DEQUEUE_SLEEP | DEQUEUE_NOCLOCK）; //cpu运行队列中删除任务

}

}

next = pick_next_task（rq， prev， &rf）; //选择下一个任务

context_switch //进行上下文切换

来看下deactivate_task对于睡眠任务做的主要工作：

deactivate_task

->deactivate_task（rq， prev， DEQUEUE_SLEEP | DEQUEUE_NOCLOCK）

->p->on_rq = （flags & DEQUEUE_SLEEP） ？ 0 ： TASK_ON_RQ_MIGRATING; //设置任务的on_rq 为0 标识是睡眠

dequeue_task（rq， p， flags）;

->p->sched_class->dequeue_task（rq， p， flags）

->dequeue_task_fair

->dequeue_entity

...

if （se ！= cfs_rq->curr） //不是cpu当前 任务

__dequeue_entity（cfs_rq， se）; //cfs运行队列删除

->se->on_rq = 0; //标识调度实体不在运行队列！！！

->if （！（flags & DEQUEUE_SLEEP））

se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime; //调度实体的虚拟运行时间 减去 cfs运行队列的最小虚拟运行时间

deactivate_task会设置任务的on_rq 为0来 标识是睡眠 ，然后 调用到调度类的dequeue_task方法，在cfs中设置se->on_rq = 0标识调度实体不在cfs队列。

可以看到，发起主动调度的时候，在主调度器中会做判断：如果是主动调度且任务状态不为0 （即为不是可运行的TASK_RUNNING）时，如果没有挂起的信号，就会将任务从cpu的运行队列中“删除”，然后选择下一个任务，进行上下文切换。

将即将睡眠的任务从cpu的运行队列中“删除”意义重大：主调度器再次选择下一个任务的时候不会在选择睡眠的任务（因为主调度器总是在运行队列中选择任务运行，除非任务被唤醒，重新加入运行队列）。

注意：1.这里的删除指的是设置对应标志如p->on_rq=0，se->on_rq = 0，当选择下一个任务的时候不会在加入运行队列中。2.即将睡眠的任务是cpu上的当前任务（curr指向）。3.调用主调度器后，即将睡眠的任务不会再次加入cpu运行队列，除非被唤醒。

再来看下选择下一个任务的时候会做哪些事情和睡眠有关（暂不考虑组调度情况）：

pick_next_task

->class->pick_next_task

->pick_next_task_fair //kernel/sched/fair.c

->if （prev）

put_prev_task（rq， prev）; //对前一个任务处理

se = pick_next_entity（cfs_rq， NULL）; //选择下一个任务

set_next_entity（cfs_rq， se）;

主要看下put_prev_task：

put_prev_task

->prev->sched_class->put_prev_task（rq， prev）

->put_prev_task_fair

->put_prev_entity

-> if （prev->on_rq） { //前一个任务的调度实体on_rq不为0？

update_stats_wait_start（cfs_rq， prev）;

/* Put ‘current’ back into the tree. */

__enqueue_entity（cfs_rq， prev）; //重新加入cfs运行队列

/* in ！on_rq case， update occurred at dequeue */

update_load_avg（cfs_rq， prev， 0）;

}

cfs_rq->curr = NULL; //设置cfs运行队列的curr为NULL

put_prev_task所做的主要工作就是将前一个任务从cfs运行队列中删除，在这里就是通过调用__enqueue_entity将对应的调度实体重新加入cfs队列的红黑树，但是对于即将睡眠的任务之前在主调度器中通过deactivate_task将prev->on_rq设置为0了，所以对于即将睡眠的任务来说，它对应的调度实体不会在重新加入cfs运行队列的红黑树。

责任编辑：haq