13.2 Sleep&Wakeup 接口

接下来看一下通过Sleep&Wakeup实现Coordination。

我们听过很多关于锁的介绍，锁可以使得线程本身不必关心其他线程的具体实现。我们为共享的数据增加锁，这样就不用担心其他线程也使用了相同的数据，因为锁可以确保对于数据的操作是依次发生的。

当你在写一个线程的代码时，有些场景需要等待一些特定的事件，或者不同的线程之间需要交互。

• 假设我们有一个Pipe，并且我正在从Pipe中读数据。但是Pipe当前又没有数据，所以我需要等待一个Pipe非空的事件。

• 类似的，假设我在读取磁盘，我会告诉磁盘控制器请读取磁盘上的特定块。这或许要花费较长的时间，尤其当磁碟需要旋转时

  （通常是毫秒级别），磁盘才能完成读取。而执行读磁盘的进程需要等待读磁盘结束的事件。

• 类似的，一个Unix进程可以调用wait函数。这个会使得调用进程等待任何一个子进程退出。所以这里父进程有意的在等待另一个进程产生的事件。

以上就是进程需要等待特定事件的一些例子。特定事件可能来自于I/O，也可能来自于另一个进程，并且它描述了某件事情已经发生。Coordination是帮助我们解决这些问题并帮助我们实现这些需求的工具。Coordination是非常基础的工具，就像锁一样，在实现线程代码时它会一直出现。

我们怎么能让进程或者线程等待一些特定的事件呢？一种非常直观的方法是通过循环实现busy-wait。假设我们想从一个Pipe读取数据，我们就写一个循环一直等待Pipe的buffer不为空。

这个循环会一直运行直到其他的线程向Pipe的buffer写了数据。之后循环会结束，我们就可以从Pipe中读取数据并返回。

实际中会有这样的代码。如果你知道你要等待的事件极有可能在0.1微秒内发生，通过循环等待或许是最好的实现方式。通常来说在操作设备硬件的代码中会采用这样的等待方式，如果你要求一个硬件完成一个任务，并且你知道硬件总是能非常快的完成任务，这时通过一个类似的循环等待或许是最正确的方式。

另一方面，事件可能需要数个毫秒甚至你都不知道事件要多久才能发生，或许要10分钟其他的进程才能向Pipe写入数据，那么我们就不想在这一直循环并且浪费本可以用来完成其他任务的CPU时间。这时我们想要通过类似switch函数调用的方式出让CPU，并在我们关心的事件发生时重新获取CPU。Coordination就是有关出让CPU，直到等待的事件发生再恢复执行。人们发明了很多不同的Coordination的实现方式，但是与许多Unix风格操作系统一样，XV6使用的是Sleep&Wakeup这种方式。

介绍完背景了，接下来我们看一下XV6的代码。为了准备这节课，我重写了UART的驱动代码，XV6通过这里的驱动代码从console中读写字符。

首先是uartwrite函数。当shell需要输出时会调用write系统调用最终走到uartwrite函数中，这个函数会在循环中将buf中的字符一个一个的向UART硬件写入。这是一种经典的设备驱动实现风格，你可以在很多设备驱动中看到类似的代码。UART硬件一次只能接受一个字符的传输，而通常来说会有很多字符需要写到UART硬件。你可以向UART硬件写入一个字符，并等待UART硬件说：好的我完成了传输上一个字符并且准备好了传输下一个字符，之后驱动程序才可以写入下一个字符。因为这里的硬件可能会非常慢，或许每秒只能传输1000个字符，所以我们在两个字符之间的等待时间可能会很长。而1毫秒在现在计算机上是一个非常非常长的时间，它可能包含了数百万条指令时间，所以我们不想通过循环来等待UART完成字符传输，我们想通过一个更好的方式来等待。如大多数操作系统一样，XV6也的确存在更好的等待方式。

UART硬件会在完成传输一个字符后，触发一个中断。所以UART驱动中除了uartwrite函数外，还有名为uartintr的中断处理程序。这个中断处理程序会在UART硬件触发中断时由trap.c代码调用。

中断处理程序会在最开始读取UART对应的memory mapped register，并检查其中表明传输完成的相应的标志位，也就是LSR_TX_IDLE标志位。如果这个标志位为1，代码会将tx_done设置为1，并调用wakeup函数。这个函数会使得uartwrite中的sleep函数恢复执行，并尝试发送一个新的字符。所以这里的机制是，如果一个线程需要等待某些事件，比如说等待UART硬件愿意接收一个新的字符，线程调用sleep函数并等待一个特定的条件。当特定的条件满足时，代码会调用wakeup函数。这里的sleep函数和wakeup函数是成对出现的。我们之后会看sleep函数的具体实现，它会做很多事情最后再调用switch函数来出让CPU。

这里有件事情需要注意，sleep和wakeup函数需要通过某种方式链接到一起。也就是说，如果我们调用wakeup函数，我们只想唤醒正在等待刚刚发生的特定事件的线程。所以，sleep函数和wakeup函数都带有一个叫做sleep channel的参数。我们在调用wakeup的时候，需要传入与调用sleep函数相同的sleep channel。不过sleep和wakeup函数只是接收表示了sleep channel的64bit数值，它们并不关心这个数值代表什么。当我们调用sleep函数时，我们通过一个sleep channel表明我们等待的特定事件，当调用wakeup时我们希望能传入相同的数值来表明想唤醒哪个线程。

有关这里的接口有什么问题吗？

学生提问：进程会在写入每个字符时候都被唤醒一次吗？

Robert教授：在这个我出于演示目的而特别改过的UART驱动中，传输每个字符都会有一个中断，所以你是对的，对于buffer中的每个字符，我们都会等待UART可以接收下一个字符，之后写入一个字符，将tx_done设置为0，回到循环的最开始并再次调用sleep函数进行睡眠状态，直到tx_done为1。当UART传输完了这个字符，uartintr函数会将tx_done设置为1，并唤醒uartwrite所在的线程。所以对于每个字符都有调用一次sleep和wakeup，并占用一次循环。

UART实际上支持一次传输4或者16个字符，所以一个更有效的驱动会在每一次循环都传输16个字符给UART，并且中断也是每16个字符触发一次。更高速的设备，例如以太网卡通常会更多个字节触发一次中断。

以上就是接口的演示。Sleep&wakeup的一个优点是它们可以很灵活，它们不关心代码正在执行什么操作，你不用告诉sleep函数你在等待什么事件，你也不用告诉wakeup函数发生了什么事件，你只需要匹配好64bit的sleep channel就行。

不过，对于sleep函数，有一个有趣的参数，我们需要将一个锁作为第二个参数传入，这背后是一个大的故事，我后面会介绍背后的原因。总的来说，不太可能设计一个sleep函数并完全忽略需要等待的事件。所以很难写一个通用的sleep函数，只是睡眠并等待一些特定的事件，并且这也很危险，因为可能会导致lost wakeup，而几乎所有的Coordination机制都需要处理lost wakeup的问题。在sleep接口中，我们需要传入一个锁是一种稍微丑陋的实现，我在稍后会再介绍。