等待队列 (WaitQueue)

等待队列是实现任务同步和阻塞的核心机制。当一个任务需要等待某个条件（如锁被释放、I/O完成）才能继续执行时，它就会被放入一个等待队列中并进入睡眠状态。

源码链接: os/src/kernel/scheduler/wait_queue.rs

1. 设计与目的

WaitQueue 的主要职责是管理一组正在等待同一个事件的睡眠任务。它通常与一个自旋锁 (RawSpinLock) 配合使用，以保证在多核环境下的操作原子性。

其核心数据结构如下：

#![allow(unused)]
fn main() {
// os/src/kernel/scheduler/wait_queue.rs
pub struct WaitQueue {
    tasks: TaskQueue,
    lock: RawSpinLock,
}
}

• tasks: 一个 TaskQueue，用于存放等待此队列的 SharedTask 句柄。
• lock: 一个自旋锁，用于保护 tasks 队列在并发访问时的数据一致性。

2. 核心接口与工作流程

sleep(task: SharedTask)

当一个任务需要阻塞等待时，持有资源的模块（如 SleepLock）会调用此方法。

1. 获取 WaitQueue 的内部锁 lock。
2. 将需要睡眠的 task 添加到内部的 tasks 队列中。
3. 释放 lock 锁。
4. 调用调度器提供的 sleep_task(task, ...) 函数，将任务状态设置为 Interruptible 或 Uninterruptible，并将其从调度器的运行队列中移除。
5. 触发一次调度 (schedule())，CPU切换到其他可运行的任务。

关键点: 必须在调用 sleep_task 之前 释放 WaitQueue 的内部锁，以避免在持有锁的情况下进行任务调度，这可能导致死锁。

wake_up_one()

当等待的条件满足时，持有资源的模块会调用此方法来唤醒一个等待的任务。

1. 获取 WaitQueue 的内部锁 lock。
2. 从 tasks 队列的队首弹出一个任务（pop_task）。
3. 释放 lock 锁。
4. 如果成功弹出了一个任务，则调用调度器提供的 wake_up(task) 函数。
5. wake_up 函数会将任务的状态改回 Running，并将其重新加入到调度器的运行队列中，使其有机会在下一次调度时被执行。

wake_up_all()

此方法用于唤醒等待队列中的所有任务，流程与 wake_up_one 类似，但它会遍历并清空整个 tasks 队列，并逐个唤醒所有任务。

3. 应用示例：SleepLock

SleepLock 是 WaitQueue 的一个典型应用场景。

源码链接: os/src/sync/sleep_lock.rs

• lock():

  1. 尝试获取锁。如果锁已被占用，则获取当前任务的句柄。
  2. 调用 SleepLock 内部 WaitQueue 的 sleep() 方法，将当前任务放入等待队列并使其睡眠。
  3. 当任务被唤醒后，它会回到 lock() 的循环开头，再次尝试获取锁。

• unlock():

  1. 释放锁。
  2. 调用 WaitQueue 的 wake_up_one() 方法，唤醒一个正在等待此锁的任务。

通过 WaitQueue，SleepLock 实现了当锁不可用时，任务会放弃CPU进入睡眠，而不是空耗CPU进行自旋等待，从而大大提高了系统效率。