13.5 Pipe中的sleep和wakeup

前面我们介绍了在UART的驱动中，如何使用sleep和wakeup才能避免lost wakeup。前面这个特定的场景中，sleep等待的condition是发生了中断并且硬件准备好了传输下一个字符。在一些其他场景，内核代码会调用sleep函数并等待其他的线程完成某些事情。这些场景从概念上来说与我们介绍之前的场景没有什么区别，但是感觉上还是有些差异。例如，在读写pipe的代码中，如果你查看pipe.c中的piperead函数，

这里有很多无关的代码可以忽略。当read系统调用最终调用到piperead函数时，pi->lock会用来保护pipe，这就是sleep函数对应的condition lock。piperead需要等待的condition是pipe中有数据，而这个condition就是pi->nwrite大于pi->nread，也就是写入pipe的字节数大于被读取的字节数。如果这个condition不满足，那么piperead会调用sleep函数，并等待condition发生。同时piperead会将condition lock也就是pi->lock作为参数传递给sleep函数，以确保不会发生lost wakeup。

之所以会出现lost wakeup，是因为在一个不同的CPU核上可能有另一个线程刚刚调用了pipewrite。

pipewrite会向pipe的缓存写数据，并最后在piperead所等待的sleep channel上调用wakeup。而我们想要避免这样的风险：在piperead函数检查发现没有字节可以读取，到piperead函数调用sleep函数之间，另一个CPU调用了pipewrite函数。因为这样的话，另一个CPU会向pipe写入数据并在piperead进程进入SLEEPING之前调用wakeup，进而产生一次lost wakeup。

在pipe的代码中，pipewrite和piperead都将sleep包装在一个while循环中。piperead中的循环等待pipe的缓存为非空（pipewrite中的循环等待的是pipe的缓存不为full）。之所以要将sleep包装在一个循环中，是因为可能有多个进程在读取同一个pipe。如果一个进程向pipe中写入了一个字节，这个进程会调用wakeup进而同时唤醒所有在读取同一个pipe的进程。但是因为pipe中只有一个字节并且总是有一个进程能够先被唤醒，哦，这正好提醒了我有关sleep我忘记了一些非常关键的事情。sleep函数中最后一件事情就是重新获取condition lock。所以调用sleep函数的时候，需要对condition lock上锁（注，在sleep函数内部会对condition lock解锁），在sleep函数返回时会重新对condition lock上锁。这样第一个被唤醒的线程会持有condition lock，而其他的线程在重新对condition lock上锁的时候会在锁的acquire函数中等待。

那个幸运的进程（注，这里线程和进程描述的有些乱，但是基本意思是一样的，当说到线程时是指进程唯一的内核线程）会从sleep函数中返回，之后通过检查可以发现pi->nwrite比pi->nread大1，所以进程可以从piperead的循环中退出，并读取一个字节，之后pipe缓存中就没有数据了。之后piperead函数释放锁并返回。接下来，第二个被唤醒的线程，它的sleep函数可以获取condition lock并返回，但是通过检查发现pi->nwrite等于pi->nread（注，因为唯一的字节已经被前一个进程读走了），所以这个线程以及其他所有的等待线程都会重新进入sleep函数。所以这里也可以看出，几乎所有对于sleep的调用都需要包装在一个循环中，这样从sleep中返回的时候才能够重新检查condition是否还符合。

sleep和wakeup的规则稍微有点复杂。因为你需要向sleep展示你正在等待什么数据，你需要传入锁并遵循一些规则，某些时候这些规则还挺烦人的。另一方面sleep和wakeup又足够灵活，因为它们并不需要理解对应的condition，只是需要有个condition和保护这个condition的锁。

除了sleep&wakeup之外，还有一些其他的更高级的Coordination实现方式。例如今天课程的阅读材料中的semaphore，它的接口就没有那么复杂，你不用告诉semaphore有关锁的信息。而semaphore的调用者也不需要担心lost wakeup的问题，在semaphore的内部实现中考虑了lost wakeup问题。因为定制了up-down计数器，所以semaphore可以在不向接口泄露数据的同时（注，也就是不需要向接口传递condition lock），处理lost wakeup问题。semaphore某种程度来说更简单，尽管它也没那么通用，如果你不是在等待一个计数器，semaphore也就没有那么有用了。这也就是为什么我说sleep和wakeup更通用的原因。