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Linux驱动学习日记(20) Linux 阻塞和非阻塞 IO

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  阻塞和非阻塞 IO 是驱动开发中两种很常见的设备访问模式，在编写驱动过程中一定要考虑到阻塞和非阻塞。

阻塞和非阻塞 IO

简介

  这里的 IO 并不是我们所熟知的 GPIO，指的是 Input/Output，也就是输入/输出，是应用程序对驱动设备的输入/输出操作。当应用程序对设备驱动进行操作的时候，如果不能获取到设备资源，那么阻塞式 IO 就会将应用程序对应的线程挂起，知道设备资源可以获取为止。对于非阻塞 IO，应用程序对应的线程不会挂起，它要么一直轮询等待，直到设备资源可以使用，要么就直接放弃。

  应用程序可以使用如下所示示例代码来实现阻塞访问：

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int fd;
int data = 0;

fd = open("/dev/xxx",O_RDWR);   /* 阻塞方式打开 */
ret = read(fd, &data,sizeof(data));

  可以看出，对于设备驱动文件的默认读取方式就是阻塞式的，所以我们前面所有的例程测试 APP 都是采用阻塞 IO。如果应用程序要采用非阻塞的方式来访问驱动设备文件，可以使用如下所示代码：

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int fd;
int data = 0;

fd = open("/dev/xxx",O_RDWR | O_NONBLOCK);
ret = read(fd, &data, sizeof(data));

  第四行使用 open 函数打开设备文件的时候添加了参数 “O_NONBLOCK”，表示以非阻塞方式打开设备，这样从设备读取数据的时候就是非阻塞方式了。

等待队列

  1、等待队列头
  阻塞访问最大的好处就是当设备文件不可操作的时候进程可以休眠，这样可以让出 CPU 资源。但是，当设备文件可以操作的时候就必须唤醒进程，一般在终端函数里完成唤醒工作。Linux 内核提供了等待队列来实现阻塞进程的唤醒工作，如果我们要在驱动中使用等待队列，必须创建并初始化一个等待队列头，等待队列头使用结构体 wait_queue_head_t 表示，其定义在文件 include/linux/wait.h 中，结构体内容如下所示

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struct wait_queue_head {
    spinlock_t lock;
    struct list_head head;
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

  定义好等待队列头以后需要初始化，使用 init_waitqueue_head 函数初始化等待队列头，函数原型如下：

void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)

  参数 q 就是要初始化的等待队列头。也可以使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD 来一次性完成等待队列头的定义的初始化。

  2、等待队列项
  等待队列头就是一个等待队列的头部，每个访问设备的进程都是一个队列项，当设备不可用的时候就要将这些进程对应的等待队列项添加到等到队列中。结构体 wait_queue_entry_t 表示等待队列项，结构体内容如下：

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/*
 * A single wait-queue entry structure:
 */
struct wait_queue_entry {
    unsigned int flags;
    void *private;
    wait_queue_func_t func;
    struct list_head entry;
};

typedef struct wait_queue_entry wait_queue_entry_t;

  使用宏 DECLARE_WAITQUEUE 定义并初始化一个等待队列项，宏内容如下：

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#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)    \
    struct wait_queue_entry name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

  name 就是等待队列项的名字，tsk 表示这个等待队列属于哪个任务（进程），一般设置为 current，子 Linux 内核中 current 相当于一个全局变量，表示当前进程。因此这个宏就是给当前正在运行的进程创建并初始化了一个等待队列项。

  3、将队列项添加/移除等待队列头
  当设备不可访问的时候就需要将进程对应的等待队列项添加到前面创建的等待队列头中去，只有添加到等待队列头中进程才能进入休眠状态。当设备可以放访问以后再讲进程对应的等待队列项从等待队列头中移除即可，等待队列项添加 API 函数如下

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/**
 * @description: 将等待队列项添加到等待队列头
 * @param {wait_queue_head} *wq_head 等待队列项要加入的等待队列头
 * @param {wait_queue_entry} *wq_entry 要加入的等待队列项
 * @return {*}
 */
void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry)
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/**
 * @description: 等待队列项移除 API 函数
 * @param {wait_queue_head} *wq_head 要删除的等待队列项所处的等待队列头
 * @param {wait_queue_entry} *wq_entry 要删除的等待队列项
 * @return {*}
 */
void remove_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry)

  4、等待唤醒
  当设备可以使用的时候就要唤醒进入休眠状态的进程，唤醒可以使用如下两个函数

void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)

  参数 q 就是要唤醒的等待队列头，这两个函数会将这个等待队列头中的所有进程都唤醒。wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进程，而wake_up_interruptible 函数值能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程。

  5、等待事件
  除了主动唤醒外，也可以设置等待队列某个等待事件，当这个事件满足以后就自动唤醒等待队列中的进程，和等待事件有关的 API 函数如下表所示：

函数 描述
wait_event(wq, condition) 等待以 wq 为等待队列头的等待队列被唤醒，前提是 condition 条件必须满足为真，否则一直阻塞。此函数会将进程设置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout) 功能和 wait_event 类似，但是此函数可以添加超时时间，以 jiffies 为单位。此函数有返回值，如果返回 0 的话表示超时时间到，而且 condition 为假。为 1 的话表示 condition 为真，也就是条件满足了。
wait_event_interruptible(wq, condition) 与 wait_event 函数类似，但是此函数将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，就是可以被信号打断。
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) 与 wait_event_timeout 函数类似，此函数也将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，可以被信号打断。

轮询

  如果用户应用程序以非阻塞的方式访问设备，设备驱动程序就得提供非阻塞的处理方式，也就是轮询。poll、epoll 和 select 可以用于轮询处理，应用程序通过 select、epoll 或 poll 函数来查询设备是否可以操作，如果可以操作的话就从设备读取或向设备写入数据。当应用程序调用 select、epoll 或 poll 函数的时候设备驱动中的 poll 函数就会执行，因此需要在设备驱动程序中编写 poll 函数。我们先来看一下应用程序中使用的 select、poll 和 epoll 这三个函数。一般情况下我们经常使用 epoll 函数。

  epoll 函数
  应用程序首先需要使用 epoll_create 函数创建一个 epoll 句柄，epoll_create 函数原型如下：

int epoll_create(int size)

  从 Linux 2.6.8 开始size参数无意义，返回值为 epoll 句柄，如果是 -1 的话表示失败。epoll 句柄创建成功以后使用 epoll_ctl 函数向其中添加要坚实的文件描述符以及监视的事件，epoll_ctl 函数原型如下所示：

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int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

  函数参数和返回值含义如下：
  epfd：要操作的 epoll 句柄，也就是使用 epoll_create 创建的 epoll 句柄。
  op：表示要对 epfd 进行的操作，可以设置为

EPOLL_CTL_ADD 向 epfd 添加文件参数 fd 表示的描述符。
EPOLL_CTL_MOD 修改参数 fd 的 event 事件。
EPOLL_CTL_DEL 从 epfd 中删除 fd 描述符。

  fd：表示要监视的文件描述符。
  event：要监视的事件类型，为 epoll_event 结构体类型指针，epoll_event 结构体类型如下所示：

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struct epoll_event{
    uint32_t events; // epoll 事件
    epoll_data_t data; // 用户数据
}

  结构体 epoll_event 的 events 成员变量表示要监视的时间，可选的时间如下：

EPOLLIN     有数据可以读取
EPOLLOUT    可以写数据
EPOLLPRI    有紧急的数据需要读取。
EPOLLERR    指定的文件描述符发生错误。
EPOLLHUP    指定的文件描述符挂起。
EPOLLET     设置 epoll 为边沿触发，默认触发模式为水平触发。
EPOLLONESHOT 一次性的监视，当监视完成以后还需要再次监视某个 fd，那么就需要将 fd 重新添加到 epoll 里面。

  上面这些事件可以进行“或”操作，也就是说可以设置监视多个事件。
  返回值：0成功，-1失败。
  一切都设置好以后应用程序就可以通过 epoll_wait 函数来等待事件的发生，类似 select 函数。epoll_wait 函数原型如下所示：

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int epoll_wait(int epfd,
               struct epoll_event *events,
               int maxevents,
               int timeout)

  函数参数和返回值的含义如下
  epfd：要等待的 epoll。
  events：指向 epoll_event 结构体的数组，当有事件发生的时候 Linux 内核会填写 events，调用者可以根据 events 判断发生了哪些事件。
  maxevents：events 数组大小，必须大于 0。
  timeout：超时事件，单位为 ms。
  返回值：0超时，-1错误；其他值为准备就绪的文件描述符数量。
  epoll 更多的是用在大规模的并发服务器上，因为在这种唱歌下 select 和 poll并不合适。

Linux 驱动下的 poll 操作函数

  当应用程序调用 select 或 poll 函数来对驱动程序进行非阻塞访问的时候，驱动程序 file_operations 操作集中的 poll 函数就会执行。所以驱动程序的编写者需要提供对应的 poll 函数。poll 函数的原型如下所示：

unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)

  函数参数和返回值的含义如下：
  filp：要打开的设备文件
  wait：结构体 poll_table_struct 类型指针，有应用程序传递进来的。一般将此参数传递给 poll_wait 函数。
  返回值：向应用程序返回设备或者资源状态，可以返回的资源状态如下：

POLLIN      有数据可以读取
POLLPRI     有紧急的数据需要读取。
POLLOUT     可以写数据。
POLLERR     指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP     指定的文件描述符挂起。
POLLNVAL    无效的请求。
POLLRDNORM  等同于 POLLIN，普通数据可读。

  我们需要在驱动程序的 poll 函数中调用 poll_wait 函数，poll_wait 函数不会引起阻塞，只是将应用程序添加到 poll_table 中，poll_wait 函数原型如下：

void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

  参数 wait_address 是要添加到 poll_table 中的等待队列头，参数 p 就是 poll_table，就是 file_operations 中 poll 函数的 wait 参数。