【linux】驱动-13-阻塞与非阻塞

前言

13. 阻塞与非阻塞

本章内容为驱动基石之一。
驱动只提供功能，不提供策略。

阻塞与非阻塞 都是应用程序主动访问的。从应用角度去解读阻塞与非阻塞。

原文：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14912496.html

13.1 阻塞与非阻塞

阻塞：

• 指在执行设备操作时，若不能获得资源，则挂起进程，直至满足操作的条件后再继续执行。

非阻塞：

• 指在执行设备操作时，若不能获得资源，则不挂起，要么放弃，要么不停查询，直至设备可操作。

实现阻塞的常用技能包括：(目的其实就是阻塞)

• 休眠与唤醒机制（和等待队列相辅相成）。
• 等待队列（和休眠与唤醒机制相辅相成）。
• poll机制。

13.2 休眠与唤醒

若需要实现阻塞式访问，可以使用休眠与唤醒机制。

相关函数其实在 等待队列 小节有说明了，现在只是函数汇总。

13.2.1 内核休眠函数

内核源码路径：include\linux\wait.h。

13.2.2 内核唤醒函数

内核源码路径：include\linux\wait.h。

13.3 等待队列（阻塞）

等待队列：

• 其实就是内核的一个队列功能单位&API。
• 在驱动中，可以使用等待队列来实现阻塞进程的唤醒。

使用方法：

1. 定义等待队列头部。
2. 初始化等待队列头部。
3. 定义等待队列元素。
4. 添加/移除等待队列。
5. 等待事件。
6. 唤醒队列。

另外一种使用方法就是 在等待队列上睡眠。

等待队列头部结构体：

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

等待队列元素结构体：

struct wait_queue_entry {
	unsigned int		flags;
	void			*private;
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;
};

13.3.1 定义等待队列头部

定义等待队列头部方法：wait_queue_head_t my_queue;

13.3.2 初始化等待队列头部

初始化等待队列头部源码：void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);
或
定义&初始化等待队列头部：使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD。

13.3.3 定义等待队列元素

定义等待队列元素源码：#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);

• name：该等待队列元素的名字。
• tsk：该等待队列元素归属于哪个任务进程。

13.3.4 添加/移除等待队列元素

添加等待队列元素源码：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

• wq_head：等待队列头部。
• wq_entry：等待队列。

移除等待队列元素源码：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

• wq_head：等待队列头部。
• wq_entry：等待队列。

13.3.5 等待事件

睡眠，直至事件发生：wait_event(wq_head, condition)

• wq_head：等待队列头。
• condition：事件。当其为真时，跳出。

/**
 * wait_event - sleep until a condition gets true
 * @wq_head: the waitqueue to wait on
 * @condition: a C expression for the event to wait for
 *
 * The process is put to sleep (TASK_UNINTERRUPTIBLE) until the
 * @condition evaluates to true. The @condition is checked each time
 * the waitqueue @wq_head is woken up.
 *
 * wake_up() has to be called after changing any variable that could
 * change the result of the wait condition.
 */
#define wait_event(wq_head, condition)						do {											might_sleep();									if (condition)										break;									__wait_event(wq_head, condition);					} while (0)

• TASK_INTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接等等），可被信号中断唤醒。可被 信号 和 wake_up() 唤醒。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接等等），但会忽略信号、不可以被中断唤醒。即是只能由 wake_up() 唤醒。

睡眠，直至事件发生或超时：wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

等待事件发生，且可被信号中断唤醒：wait_event_interruptible(wq_head, condition)
等待事件发生或超时，且可被信号中断唤醒：wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition, timeout)

io_wait_event()：

/*
 * io_wait_event() -- like wait_event() but with io_schedule()
 */
#define io_wait_event(wq_head, condition)					do {											might_sleep();									if (condition)										break;									__io_wait_event(wq_head, condition);					} while (0)

13.3.6 唤醒队列

以下两个函数对应等待事件使用：

• 唤醒队列：void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
• 唤醒队列，信号中断可唤醒：void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

13.3.7 在等待队列上睡眠

函数源码：

• sleep_on(wait_queue_head_t *q)
• interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
• sleep_on()：
  • 把当前进程状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列元素，并添加到 q 中。
  • 直到资源可用或 q 队列指向链接的进程被唤醒。
  • 与 wake_up() 配套使用。interruptible_sleep_on() 与 wake_up_interruptible() 配套使用。

13.4 轮询

当用户应用程序以非阻塞的方式访问设备，设备驱动程序就要提供非阻塞的处理方式。
poll、epoll 和 select 可以用于处理轮询。这三个 API 均在 应用层 使用。

注意，轮询也是在APP实现轮询的。

13.4.1 select 函数

select()：

• 函数原型：int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
• numfds：需要检查的 fd 中最大的 fd + 1。
• readfds：读 文件描述符集合。NULL 不关心这个。
• writefds：写 文件描述符集合。NULL 不关心这个。
• exceptfds：异常 文件描述符集合。NULL 不关心这个。
• timeout：超时时间。NULL 时为无限等待。
• 时间结构体：

struct timeval{
    long tv_sec;    // 秒
    long tv_usec;   // 微妙
};

• 返回：
  • 0：超时。
  • -1：错误。
  • 其他值：可进行操作的文件描述符个数。
• 原理：fd_set 为一个 N 字节类型，需要操作的 fd 值在对应比特上置为 1 即可。若 fd 的值为 6，需要检查读操作，则把 readfds 第 6 个 bit 置 1。调用该函数后，先把对应 fd_set 清空，再检查、标记可操作情况。Linux 提供以下接口操作：

FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 把 fd 对应的 set bit 清空。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 查看 d 对应的 set bit 是否被置 **1**。
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 把 fd 对应的 set bit 置 **1**。
FD_ZERO(fd_set *set); // 把 set 全部清空。

fd_set 是有限制的，可以查看源码，修改也可。但是改大会影响系统效率。

13.4.2 poll 函数

由于 fd_set 是有限制的，所以当需要监测大量文件时，便不可用。
这时候，poll() 函数就应运而生。

poll() 和 select() 没什么区别，只是前者没有最大文件描述符限制。

• 函数原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
• fds：要监视的文件描述符集合。
• nfds：要监视的文件描述符数量。
• timeout：超时时间。单位 ms。
• 返回：
  • 0：超时。
  • -1：发生错误，并设置 error 为错误类型。
  • 其它：返回 revent 域值不为 0 的 pollfd 个数。即是发生事件或错误的文件描述符数量。

被监视的文件描述符格式：

struct pollfd{
    int fd; /* 文件描述符 */
    short events; /* 请求的事件 */
    short revents; /* 返回的时间 */
}

可请求的事件 events：

13.4.3 epoll 函数

select() 和 poll() 会随着监测的 fd 数量增加，而出现效率低下的问题。
poll() 每次监测都需要历遍所有被监测的描述符。

epoll() 函数就是为大量并大而生的。在网络编程中比较常见。

epoll() 使用方法：

1. 创建一个 epoll 句柄：
   • 函数原型：int epoll_creat(int size);
   • size：随便大于 0 即可。 Linux2.6.8 后便不再维护了。
   • 返回：
     • epoll 句柄。
     • -1：创建失败。
2. 向 epoll 添加要监视的文件及监测的事件。
   • 函数原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);。
   • epfd：epoll 句柄。
   • op：操作标识。
     • EPOLL_CTL_ADD：向 epfd 添加 fd 表示的描述符。
     • EPOLL_CTL_MOD：修改 fd 的 event 时间。
     • EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除 fd 描述符。
   • fd：要监测的文件。
   • event：要监测的事件类型。
3. 等待事件发生。
   • 函数原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);。
   • epfd：epoll 句柄。
   • events：指向 epoll_event 结构体数组。
   • maxevents：events 数组大小，必须大于 0。
   • timeout：超时时间。

epoll_event 结构体：

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

可请求的事件 events：

13.5 驱动中的 poll 函数

当应用程序调用 select() 函数和 poll() 函数时，驱动程序会调用 file_operations 中的 poll。

• 函数原型：unsigned int(*poll)(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
• file：file 结构体。
• wait：轮询表指针。主要传给 poll_wait 函数。
• 该函数主要工作：
  • 对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用 poll_wait() 函数，将对应的等待队列头部添加到 poll_table 中。
  • 返回表示是否能对设备进行无阻塞读、写访问的掩码。可以返回以下值：
    • POLLIN：有数据可读。
    • 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。

poll_wait()

• 函数原型：void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address, poll_table *p)
• 该函数不会阻塞进程，只是将当前进程添加到 wait 参数指定的等待列表中。
• filp：要操作的设备文件描述符。
• wait_address：要添加到 wait 轮询表中的等待队列头。
• p：file_operations 中 poll 的 wait 参数。
• 建议：找个例程看看就明白了。