请问编程语言中阻塞机制在操作系统最底层是如何实现的？

[squancher]

首先大致问题如上，有以下两个疑问

• 场景：高级编程语言中的阻塞，如 socket，sleep 等

1. 有一种说法是程序阻塞不占用 CPU 资源。根据我所查阅到的资料，JAVA 为例，阻塞机制最后都到了 native 方法，也就是 C 语言实现，调用到了操作系统的方法（这个说法有点不准确），然后是关于 Linux 阻塞队列的原理，有一个 __wait_event 方法，具体如下：

#define __wait_event(wq, condition)
       do {
               DEFINE_WAIT(__wait);

               for (;;) {
                       prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
                       if (condition)
                               break;
                       schedule();
               }
               finish_wait(&wq, &__wait);
       } while (0)

然后就没有其它资料了,可以看到里面有一个死循环，所以底层是会用循环来判断是否满足条件？(感觉并没有到底层)那么这也是变相消耗系统资源了啊，有点像回调
2. 如果底层是使用循环来判断，那么例如定时器，操作系统是如何管理时间的？如果也是有循环，那么时间粒度是多少，1 毫秒？如果不是，如何判断时间到达？

感觉最底层一定不是我所猜测的这样，应该是有特殊的数据结构和方法。最后，不要说什么操作系统内核完成，我就是想学习一下原理，就算是汇编也想研究下，有懂的大佬能解下惑吗？或者给几个相关技术名词。

[Michaelssss]

@lxk11153
实质上阻塞机制就是 CPU 循环+中断+特定的数据结构

[squancher]

@lxk11153 我觉得也是这么个理，好奇操作系统对那么多指令一直循环判断是怎么保持低资源的

[nevin47]

@lxk11153 #19 可以这么去简单理解。


@dongyx #20 内核一般不会去轮训寄存器的，那种开销太大了，大部分时候会和中断配合起来

[Michaelssss]

@Michaelssss
然后特定的数据结构以 Linux 为例，请看 https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/sched.h
因为 Linux 进程和线程我记得是相同的数据结构

[nevin47]

@squancher #22 你要先认识到……CPU 的循环是 Cycle，不是上层语言的 for。
每一次 Cycle 干的事儿可以是一样的，开销是固定的。操作系统是配合中断+轮训来实现的

要是全靠软件循环，计算机早炸了……

[caowentao]

条件满足是一个时刻，需要通过采样获得，采样频率越高，获得的时刻越精准，响应实时性越高。循环查询展开是一个时域离散采样过程。

[squancher]

@nevin47 但是中断就意味着恢复，谁来干恢复这个事，要做到达到条件就立刻恢复，不应该实时监控、不断轮询吗？

[zwhfly]

@squancher 让中断源达到条件时中断啊

[squancher]

@zwhfly 就是这个问题，上面问过了，怎样判断条件，能做到实时，快速反应

[x1596357]

@squancher 还是看看操作系统原理处理器调度一章比较好，这样你能系统的知道究竟是怎么工作的。论坛里一人几句也只是碎片的知识。轮询是一种忙等待策略，非常浪费资源。实际使用的是中断来的时候检测条件，比如你等待网络流量，网卡电信号接受到帧，网卡中断，内核解包，发现这个包就是你在等的，唤醒你的进程，然后就处理完了一个包，继续等待其他包。所谓的等待，在用户空间，进程看来，是失去处理器时间，实际上处理器会去执行其他程序。至于中断切换恢复上下文，这也是调度器的工作，保存恢复寄存器状态等。

[GeruzoniAnsasu]

@squancher

> 就是这个问题，上面问过了，怎样判断条件，能做到实时，快速反应





不是“实时”的。
协程你理解吧，协程状态变化不是“实时的”对吧，而是被等待 routine 状态改变的时候调度器把等待进程重新设为可调度而已


进程一样的，操作系统判断被等事件状态可改变时把状态修改（为完成），同时把在等待这个事件的所有进程重新设为可调度，下次调度时就能恢复它们的执行流程



顺带一提，正因为 linux 调度器算法机制不能做到“实时”，所以 linux 并不是一个实时操作系统。RTOS 需要有硬件机制来直接通知内核立即切换进程状态并调度目的进程

[codehz]

@squancher 中断是硬件实现，等于强行跳转到另一个执行逻辑（所谓中断处理函数，实际并不是手动调用过去的，而是硬件暴力跳转过去），软件层面无法改变也没法预测

[codehz]

判断的过程有非常多的选项，对于同步的系统调用来说，最简单了，就是遍历一个候选列表，然后一个一个判断过去（没错，就是链表）
你以为的实时只是假象，看起来很快，但起码有个几千个时钟周期的“浪费”，根本不是实时的

[squancher]

@GeruzoniAnsasu 你说的我大概理解，我关心的是对于“操作系统判断被等事件状态”这个过程。

[GeruzoniAnsasu]

@squancher 假设我们实现一个慢悠悠的，没有优先级的，分片很长的调度方法


那，阻塞这件事就会变成（ A 等待 B 进程，系统有 ABCD4 个进程）
1. A 进程进入等待状态，调度器把 A 关联到 B，A 变为不可调度
2. 调度 B 进程，B 进程获得时间片，跑 1 秒，任务没结束。
3. 调度 C 进程，C 进程获得时间片，跑 1 秒
4. 调度 D 进程，D 进程获得时间片，跑 1 秒
5. 调度 A 进程，A 进程不能调度，继续选下一个
6. 调度 B 进程，B 进程获得时间片，跑 1 秒任务结束
7. 调度器发现 B 进程结束了，遍历正在等 B 的进程，发现 A，A 设为可调度
8. 调度 C 进程
9. 调度 D 进程
10. 调度 A 进程，A 进程获得时间片，取得 B 状态，跑 1 秒
11. 调度 B 进程，B 进程所有关联的等待者已不再等待，可以卸载 B 进程
12. 调度 C 进程

……

[GeruzoniAnsasu]

@squancher 内核中有专门结构，进程内会通过 api 来通知内核修改内核对象的值。

[zwhfly]

@squancher 什么是中断？中断是指 CPU 停止执行一段程序，转而执行另一段程序。注意后一句同样重要，中断不仅可以是一个结束，还可以是一个开始。

比如读文件，一个典型的阻塞操作，从用户层到文件系统到驱动，一路会注册等待链，到最后给到 比如 AHCI 控制器，AHCI 控制器是硬件外设，在背后和硬盘间一通骚操作交换数据，这个过程和 CPU 无关，从用户线程到文件系统到驱动啥都不用干(死循环都不用)，AHCI 控制器把数据准备好后给 CPU 发中断信号，CPU 收到中断信号就能执行“中断处理程序”，这时候这个中断处理程序就能异步恢复一些东西了，刚才注册的等待链就是响应链，一层一层最终让用户态代码继续执行。

[GeruzoniAnsasu]

@squancher 状态改变是主动的，实时发生的，但检测状态改变，不是。

或者说 上面用户态的绝大多数情况都不需要实时感知直接触发回调

[FrankHB]

操作系统不需要实现如何实时反应。典型的分时系统反而有延迟，还就不是实时的。
真正需要实时响应的场合由硬件实现保证。
处理器的中断是可以异步触发的，中断服务例程也是硬件原生支持的异步调用。发生中断时，控制如何转移到中断服务例程根本就不用操作系统关心（操作系统看到的就是硬件自己把内部状态改了，接下来执行到了不同的位置）。操作系统需要做的，是在初始化时指定处理中断的逻辑，以及在此之上实现调度器。

[caowentao]

1.实时速度有上限，不会超过工作主频。
2.楼主给出的__wait_event 方法已经是操作系统底层实现逻辑了。
3.软件信号事件，查询开销是必须的。