深入理解 Linux 內核之進程睡眠（下）
- 用戶態睡眠
以 sleep 爲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（這裏集中到睡眠的實現，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爲 CLOCK_REALTIME，則調用鏈爲：
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，後者就是真正的睡眠，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); //開啓高精度定時器
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); //設置爲可運行狀態do_nanosleep 函數是睡眠的核心實現：首先設置任務的狀態爲可中斷的睡眠狀態，然後開啓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（關於進程喚醒在這裏就不在贅述，在後面的進程喚醒專題文章在進行詳細解讀），然後就可以再次獲得處理器的使用權了。
總結：處於用戶態的任務，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，然後設置任務狀態爲可中斷的睡眠狀態，緊接着發生主動調度，這樣任務就發生睡眠了。
- 內核態睡眠 ========
當任務處於內核態時，有時候也需要睡眠一段時間，不像任務處於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（喚醒條件爲超時），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 鎖爲例講解內核態睡眠：
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時間轉換爲jiffies
while (timeout)
timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout); //不可中斷睡眠
}下面看下 schedule_timeout_uninterruptible：
這裏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); //設置任務狀態爲不可中斷睡眠
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 爲當前任務
timer_setup_on_stack(&timer.timer, process_timeout, 0); //初始化定時器 超時回調爲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爲 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爲不可中斷睡眠，然後設置定時器超時時間爲傳遞的 ms 級延遲轉換的 jiffies, 超時回調爲 process_timeout，然後將定時器添加到系統中，最後調用 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_) //睡眠的狀態爲不可中斷睡眠
->__mutex_lock_common
->
...
waiter.task = current; //記錄需要喚醒的任務爲當前任務
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);//設置狀態爲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，然後設置任務狀態爲不可中斷睡眠，接着在一個 for 循環中調用 schedule_preempt_disabled 發生主動調度，於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，然後進入鎖的臨界區，喚醒操作就完成了（關於喚醒的技術細節，後面的喚醒專題會詳細講解）。
- 總結 =====
進程睡眠按照應用場景可以分爲：延遲睡眠和等待某些特定條件而睡眠，實際上都可以歸於等待某些特定條件而睡眠，因爲延遲特定時間也可以作爲特定條件。進程睡眠按照進程所處的特權級別可以分爲：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。對於進程睡眠，內核主要需要做三大步操作：1. 設置任務狀態爲睡眠狀態 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爲後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爲了以後喚醒任務來準備的；第三步是睡眠的主體部分，這裏會將睡眠的任務從運行隊列中踢出，選擇下一個任務運行。
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