5.4. Completions 机制

内核编程的一个普通模式包括在当前线程之外初始化某个动作, 接着等待这个动作结束. 这个动作可能是创建一个新内核线程或者用户空间进程, 对一个存在着的进程的请求, 或者一些基于硬件的动作. 在这些情况中, 很有诱惑去使用一个旗标来同步 2 个任务, 使用这样的代码:


struct semaphore sem; 
init_MUTEX_LOCKED(&sem);
start_external_task(&sem);
down(&sem);

外部任务可以接着调用 up(??sem), 在它的工作完成时.

事实证明, 这种情况旗标不是最好的工具. 正常使用中, 试图加锁一个旗标的代码发现旗标几乎在所有时间都可用; 如果对旗标有很多竞争, 性能会受损并且加锁方案需要重新审视. 因此旗标已经对"可用"情况做了很多的优化. 当用上面展示的方法来通知任务完成, 然而, 调用 down 的线程将几乎是一直不得不等待; 因此性能将受损. 旗标还可能易于处于一个( 困难的 ) 竞争情况, 如果它们表明为自动变量以这种方式使用时. 在一些情况中, 旗标可能在调用 up 的进程用完它之前消失.

这些问题引起了在 2.4.7 内核中增加了 "completion" 接口. completion 是任务使用的一个轻量级机制: 允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成. 为使用 completion, 你的代码必须包含 <linux/completion.h>. 一个 completion 可被创建, 使用:


DECLARE_COMPLETION(my_completion);

或者, 如果 completion 必须动态创建和初始化:


struct completion my_completion;
/* ... */
init_completion(&my_completion);

等待 completion 是一个简单事来调用:


void wait_for_completion(struct completion *c);

注意这个函数进行一个不可打断的等待. 如果你的代码调用 wait_for_completion 并且没有人完成这个任务, 结果会是一个不可杀死的进程.[18]

另一方面, 真正的 completion 事件可能通过调用下列之一来发出:


void complete(struct completion *c);
void complete_all(struct completion *c);

如果多于一个线程在等待同一个 completion 事件, 这 2 个函数做法不同. complete 只唤醒一个等待的线程, 而 complete_all 允许它们所有都继续. 在大部分情况下, 只有一个等待者, 这 2 个函数将产生一致的结果.

一个 completion 正常地是一个单发设备; 使用一次就放弃. 然而, 如果采取正确的措施重新使用 completion 结构是可能的. 如果没有使用 complete_all, 重新使用一个 completion 结构没有任何问题, 只要对于发出什么事件没有模糊. 如果你使用 complete_all, 然而, 你必须在重新使用前重新初始化 completion 结构. 宏定义:


INIT_COMPLETION(struct completion c);

可用来快速进行这个初始化.

作为如何使用 completion 的一个例子, 考虑 complete 模块, 它包含在例子源码里. 这个模块使用简单的语义定义一个设备: 任何试图从一个设备读的进程将等待(使用 wait_for_completion)直到其他进程向这个设备写. 实现这个行为的代码是:


DECLARE_COMPLETION(comp);
ssize_t complete_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
    printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) going to sleep\n",current->pid, current->comm);
    wait_for_completion(&comp);
    printk(KERN_DEBUG "awoken %i (%s)\n", current->pid, current->comm);
    return 0; /* EOF */
}

ssize_t complete_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
    printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) awakening the readers...\n", current->pid, current->comm);
    complete(&comp);
    return count; /* succeed, to avoid retrial */
}

有多个进程同时从这个设备"读"是有可能的. 每个对设备的写将确切地使一个读操作完成, 但是没有办法知道会是哪个.

completion 机制的典型使用是在模块退出时与内核线程的终止一起. 在这个原型例子里, 一些驱动的内部工作是通过一个内核线程在一个 while(1) 循环中进行的. 当模块准备好被清理时, exit 函数告知线程退出并且等待结束. 为此目的, 内核包含一个特殊的函数给线程使用:


void complete_and_exit(struct completion *c, long retval);

[18] 在本书编写时, 添加可中断版本的补丁已经流行但是还没有合并到主线中.

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5.4. Completions 机制