xv6 系统调用笔记（下）：sleep、wakeup 与同步机制

〇、前言

本文将会结合源代码谈论 sleep、wakeup 这两个系统调用。

一、sleep()系统调用

以下是sleep()函数源码：

// Atomically release lock and sleep on chan.
// Reacquires lock when awakened.
void
sleep(void *chan, struct spinlock *lk)
{
  struct proc *p = myproc();

  // Must acquire p->lock in order to
  // change p->state and then call sched.
  // Once we hold p->lock, we can be
  // guaranteed that we won't miss any wakeup
  // (wakeup locks p->lock),
  // so it's okay to release lk.

  acquire(&p->lock);  //DOC: sleeplock1
  release(lk);

  // Go to sleep.
  p->chan = chan;
  p->state = SLEEPING;

  sched();

  // Tidy up.
  p->chan = 0;

  // Reacquire original lock.
  release(&p->lock);
  acquire(lk);
}

先来看看 lost wakeup 问题。当一个进程在 sleep() 时，如果 sleep() 了一半，状态还没来得及修改为SLEEPING，这时候发生了中断，并且被某些进程调用了 wakeup()，那么这个 wakeup()肯定不能把这个进程唤醒。而且，在被中断恢复后，它将永远等不到唤醒，因为唤醒已经错过。所以，在这里必须要正不可中断性和操作先后性。因为在下面就会看到 wakeup() 只唤醒状态为 SLEEPING 的进程。

因此我们必须保证，sleep() 是一个原子操作，在 sleep() 执行过程中，要么执行完全，要么没有被执行。所以这里必须加一个进程锁。所以在下面就会看到 wakeup() 中也会尝试获取休眠的进程锁。

在持有进程锁的时候，将进程的状态设置为 SLEEPING 并记录sleep channel，之后再调用 sched() 函数，这个函数中会再调用 swtch() 函数（而这会返回到 scheduler()函数中），此时 sleep() 函数中仍然持有了进程的锁，wakeup() 仍然不能做任何事情。

因此在 sleep()之后，这个锁必须释放。我们来看看细节：

void
scheduler(void)
{
 ...
        swtch(&c->context, &p->context);

        // Process is done running for now.
        // It should have changed its p->state before coming back.
        c->proc = 0; // 返回的位置，此刻继续执行
      }
      release(&p->lock);
 ...
}

在这里，它会继续执行上一次执行到的位置，即 c->proc = 0，然后执行 release(&p->lock)，也就是释放锁，而且释放的是 sleep() 中的当前进程的锁。（这一点不是很好理解，可以理解为用的上一个进程的代码释放当前进程的锁？总之，这些代码就冰冷冷的放在内存里，被 pc 不断地指一遍又一遍）。更有意思的是，在 sched() 函数返回之后，继续运行：

void
sleep(void *chan, struct spinlock *lk)
{
  ...
  sched();

  // Tidy up.
  p->chan = 0; // 就绪执行的位置

  // Reacquire original lock.
  release(&p->lock);
  acquire(lk);
}

这里 release(&p->lock) 实际上释放的是 scheduler() 中选中的进程的锁。

所以在调度器线程释放进程锁之后，wakeup() 才能终于获取进程的锁，发现它正在 SLEEPING状态，并唤醒它。

这里的效果是由之前定义的一些规则确保的，这些规则包括了：

• 调用 sleep 时需要持有condition lock，这样 sleep 函数才能知道相应的锁；
• sleep函数只有在获取到进程的锁 p->lock之后，才能释放 condition lock；
• wakeup需要同时持有两个锁才能查看进程。

二、wakeup()调用

以下是 wakeup() 的源码：

// Wake up all processes sleeping on chan.
// Must be called without any p->lock.
void
wakeup(void *chan)
{
  struct proc *p;

  for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
    if(p != myproc()){
      acquire(&p->lock);
      if(p->state == SLEEPING && p->chan == chan) {
        p->state = RUNNABLE;
      }
      release(&p->lock);
    }
  }
}

可以看到它的工作很简单，检查两个条件之后，就修改进程的状态为 RUNNABLE。

三、总结

这篇文章详细地介绍了 xv6 操作系统中的 sleep() 和 wakeup() 系统调用的实现原理以及相关的内部工作机制。主要强调了在 sleep() 中的原子操作性，确保了操作的完整性，以及在 wakeup() 中唤醒休眠进程的方式。

关于 sleep()：

强调了 sleep() 操作的原子性，使用进程锁确保 sleep() 操作是一个原子操作，避免了 “lost wakeup” 问题的发生。
通过释放持有的锁，让出 CPU 控制权，进入 SLEEPING 状态，然后释放进程锁，使得其他进程能够继续运行。
调度器在合适的时机恢复了进程的执行，完成 sleep() 操作。

关于 wakeup()：

wakeup() 通过遍历进程列表，并获取每个进程的锁，查看处于 SLEEPING 状态且 sleep channel 匹配的进程，将其状态设置为 RUNNABLE，唤醒进程。

整体上，这篇文章清晰地解释了 sleep() 和 wakeup() 这两个关键系统调用的工作原理和实现细节，突出了在并发环境下确保原子性操作和避免死锁的重要性。

全文完，感谢阅读。