linux-2.6.38poll机制简析（以tiny6410按键中断程序为基础）

Posted 2020-08-17 zf1-2

一、应用程序

/*
struct pollfd {
    int fd;                       //文件描述符
    short events;                 //表示请求检测的事件
    short revents;                //表示检测之后返回的事件
};
*/
int fd;
struct pollfd fds[1];           // 只用poll函数来检测一个描述符
fd = open("/dev/tiny6410_button", 0);
fds[0].fd = fd;                //存放文件描述符
fds[0].events = POLLIN;        //有数据可以读
while (1)
{
　　ret = poll(fds, 1, 5000);  // int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)
　　if (ret == 0)              // fds[]:存放需要被检测状态的描述符   nfds:fds[]数组的个数  timeout:poll函数阻塞调用的时间
   {
　　　　printf("timeout   fds[0].revents = %d \\n",fds[0].revents);
   }
　　else if (ret>0)
   {
　　　　printf("fds[0].revents = %d\\n",fds[0].revents);
　　　　read(fd, press_cnt, sizeof(press_cnt));
　　　　for (i = 0; i < sizeof(press_cnt)/sizeof(press_cnt[0]); i++) 
　　　　{
　　　　　　if (press_cnt[i])
　　　　　　printf("K%d has been pressed %d times!\\n", i+1, press_cnt[i]);
　　　　}
   }
   else
   {
　　　　return 0;
　 }
}
close(fd);
return 0;

poll(...)函数的返回值：>0 表示 fds[]中存放的某些文件描述符的状态发生了变化

　　　　　　　　　　=0 表示 fds[]中存放的文件描述符的状态没有变化，并且调用超时了

　　　　　　　　　　<0 表示有错误发生

  看到实验结果：当5秒没有按键按下时，timeout   fds[0].revents = 0

　　　　　　　 当有按键立即按下时，   fds[0].revents = 1

　　　　　　　 因此可以根据revents的值来判断哪个文件描述符的状态发生了变化

                                    

二、 从内核看poll 函数调用

　　2.1 找sys_poll(...)函数

　　在应用程序调用poll(...)函数时，内核会调用sys_poll(...)函数，因此在内核中寻找sys_poll(...)函数，在linux-2.6.38中，系统

调用函数名称都是用宏定义实现的。所有先找一找sys_poll(...)在哪里，在select.c中有如下函数：

　　SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, long,  timeout_msecs)

这是一个宏定义，需要把这个宏定义展开成如下的形式：

　　asmlink long sys_poll( struct pollfd __user * ufds, unsigned int  nfds, long  timeout_msecs)

宏定义的展开过程分析：

在syscalls.h中有一大堆关于系统调用的宏定义

　　#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)

宏替换后变成了：

　　SYSCALL_DEFINEx(3, _poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, long,  timeout_msecs)

　　#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)   __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)

宏替换后变成了：

　　__SYSCALL_DEFINEx(3,_poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, long,  timeout_msecs)

　　#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)    asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__))

宏替换后变成了：

　　asmlinkage long sys_poll(__SC_DECL3(struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, long,  timeout_msecs))

对__SC_DECL3(struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, long,  timeout_msecs)进行展开

　　　　__SC_DECL##x(__VA_ARGS__) 这个也是一个宏定义，仍然需要进行展开：

　　　　#define __SC_DECL1(t1, a1) t1 a1

　　　　#define __SC_DECL2(t2, a2, ...) t2 a2, __SC_DECL1(__VA_ARGS__)

　　　　#define __SC_DECL3(t3, a3, ...) t3 a3, __SC_DECL2(__VA_ARGS__)

　　　　#define __SC_DECL4(t4, a4, ...) t4 a4, __SC_DECL3(__VA_ARGS__)

　　　　#define __SC_DECL5(t5, a5, ...) t5 a5, __SC_DECL4(__VA_ARGS__)

　　　　#define __SC_DECL6(t6, a6, ...) t6 a6, __SC_DECL5(__VA_ARGS__)

就得到了  struct pollfd __user * ufds, unsigned int  nfds, long  timeout_msecs

 

故得到了最终的展开函数:

asmlink long sys_poll( struct pollfd __user * ufds, unsigned int  nfds, long  timeout_msecs)

　　2.2 函数调用过程分析

SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds,
        long, timeout_msecs)
{
        ....
        //1.设置timeout时间
    if (timeout_msecs >= 0) {
        to = &end_time;
        poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC,
            NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC));
    }
        // 2.完成poll调用的主要任务
    ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to);
        ....
}        

 　　2.2.1这里的核心函数do_sys_poll(...)

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
        struct timespec *end_time)
{
    struct poll_wqueues table;
     int err = -EFAULT, fdcount, len, size;
        // 从这里开始都是分配内存空间，并将用户空间的fds[]拷贝到内核空间
    long stack_pps[POLL_STACK_ALLOC/sizeof(long)];// 在栈上分配一个固定空间的
    struct poll_list *const head = (struct poll_list *)stack_pps;//强制将上边分配的空间转换为poll_list
     struct poll_list *walk = head;
     unsigned long todo = nfds;//用户空间的fds[]数组的个数

    if (nfds > rlimit(RLIMIT_NOFILE))
        return -EINVAL;

    len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);
    for (;;) {
        walk->next = NULL; //将指针先置为NULL
        walk->len = len;      //长度=len
        if (!len)
            break;

        if (copy_from_user(walk->entries, ufds + nfds-todo,
                    sizeof(struct pollfd) * walk->len))//拷贝的前提应该是不会超过分配内存的大小
            goto out_fds; //当用户空间的fds[]超过所分配内存大小时，跳转

        todo -= walk->len;  //nfds-walk->len 求剩下多少个fds结构体组没有拷
        if (!todo)     //如果不剩即全部拷完了， 则break
            break;

        len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE); //若还剩todo个没考， 求下一次需要拷的个数
        size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;//求需要分配内存的大小
        walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);// 在分配size大小的内存，并将这块内存的首地址挂载walk->next上， 这样如果有很多fds[]的话，就可以够成一个一个的poll_list 链表， 链表之间通过poll_list->next 连接
        if (!walk) {
            err = -ENOMEM;
            goto out_fds;
        }
    }
        // 到这里已经分配完内存空间，并将所有的fds[]从用户空间拷贝到内核空间
    poll_initwait(&table); // 这个函数就是初始化poll_wqueues类型的变量 table
初始化了什么，在下边分析
    fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);// 核心函数
    poll_freewait(&table);   

    for (walk = head; walk; walk = walk->next) {
        struct pollfd *fds = walk->entries;
        int j;

        for (j = 0; j < walk->len; j++, ufds++)    // 分析到这里应该就很明朗了，这里是把revents从内核空间拷贝到用户空间，方便用户空间来查询哪些文件描述符的状态发生了变化
            if (__put_user(fds[j].revents, &ufds->revents))
                goto out_fds;
      }
    err = fdcount;
out_fds:
    walk = head->next;
    while (walk) {
        struct poll_list *pos = walk;
        walk = walk->next;
        kfree(pos);
    }

    return err;
}

在do_sys_poll(...)函数中，首先就是分配内存空间，将用户空间的fds[]拷贝到内核空间，具体的拷贝过程已经在注释中大概分析了

　　　　　　　　　　　　其次初始化table变量 ，在初始化table变量之前有必要看一下table是什么

struct poll_wqueues {
    poll_table pt;
    struct poll_table_page *table;
    struct task_struct *polling_task;
    int triggered;
    int error;
    int inline_index;
    struct poll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];
};     //这是table是什么    重点是poll_table成员

typedef struct poll_table_struct {
    poll_queue_proc qproc;
    unsigned long key;
} poll_table;    // 这是poll_table 是什么   
static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
                poll_table *p)
{
    struct poll_wqueues *pwq = container_of(p, struct poll_wqueues, pt);
    struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
    if (!entry)
        return;
    get_file(filp);
    entry->filp = filp;
    entry->wait_address = wait_address;
    entry->key = p->key;
    init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake);
    entry->wait.private = pwq;
    add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}
void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq)
{
    init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);  //见下边，这table->pt ->qproc = qproc = _pollwait;
    pwq->polling_task = current;
    pwq->triggered = 0;
    pwq->error = 0;
    pwq->table = NULL;
    pwq->inline_index = 0;
}
static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)
{
    pt->qproc = qproc;
    pt->key   = ~0UL; /* all events enabled */
}

上边的函数和结构体说明了初始化table变量的全过程

在初始化完成table之后： table->polling_task = current;

　　　　　　　　　　　  table->triggered = 0;

　　　　　　　　　　　  table->error = 0;

　　　　　　　　　　　  table->table = NULL;

　　　　　　　　　　　  table->inline_index = 0;

　　　　　　　　　　　　重点 table->pt->qproc = __pollwait; 这是给table->pt->qproc挂上了一个函数__pollwait，注意之后会用到，这个函数的具体类容已经在上边分析过了

2.2.2在do_sys_poll中核心函数： do_poll(nfds, head, &table, end_time);

 

    for (;;) {  //这里三层循环嵌套，虽然复杂，但是就是遍历从用户空间拷贝的fds[]数组，然后执行do_pollfd(pfd,pt) ，这里的pt就是上边分析的wait->pt 
        struct poll_list *walk;

        for (walk = list; walk != NULL; walk = walk->next) {
            struct pollfd * pfd, * pfd_end;

            pfd = walk->entries;
            pfd_end = pfd + walk->len;
            for (; pfd != pfd_end; pfd++) {
                if (do_pollfd(pfd, pt)) {
                    count++;
                    pt = NULL;
                }
            }
        }
        pt = NULL;
        if (!count) {
            count = wait->error;
            if (signal_pending(current))
                count = -EINTR;
        }
        if (count || timed_out)
            break;
        if (end_time && !to) {
            expire = timespec_to_ktime(*end_time);
            to = &expire;
        }

        if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack))
            timed_out = 1;
    }

 

（1）发循环退出条件的分析：

　　　　　　第一个条件：fds[]文件中某些文件描述符的状态发生了变化，即fd[x]->revents != 0 

　　　　　　第二个条件：timeout != 0 也就是超时了

　　这里先分析第二个条件即timeout  !=  0的情况

　　当timeout != 0时大循环退出   注意在这里边timeout看起来像是一个bool量，程序刚进入do_poll(...)时，timeout为0， 假设所有的文件描述符的状态都没有发生变化， 然后执行休眠函数poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)后，定时休眠成功后timeout变成1，然后再次循环，此时不管fds[]中文件描述符的状态怎么样，timeout都为1，都会退出大循环。

（2） 第一个退出条件分析：count != 0时

 

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
       // 先看传入参数：pollfd  :fds[]数组中的某一个注意是拷贝到内核空间的fds[]
       //                   pwait : 这个pwait就是之前初始化的table->pt 
       //                             pt下边挂着一个回调函数，在这里派上用处了
    unsigned int mask;
    int fd;

    mask = 0;
    fd = pollfd->fd;       // 取出文件描述符
    if (fd >= 0) {
        int fput_needed;
        struct file * file;

        file = fget_light(fd, &fput_needed);
        mask = POLLNVAL;
        if (file != NULL) {
            mask = DEFAULT_POLLMASK;
            if (file->f_op && file->f_op->poll) {  // 这里就和文件操作对应的结构体中中的内容就比较相似了，
//当我们驱动程序中定义了文件操作结构体，并且定义了poll函数，那么久执行驱动程序的poll函数
                if (pwait)
                    pwait->key = pollfd->events |
                            POLLERR | POLLHUP;
                mask = file->f_op->poll(file, pwait); // 这里执行驱动程序的poll函数， 传入参数有一个回调函数
     //这个回调函数就是之前初始化table提到的
     // 注意驱动程序poll函数执行完会返回一个值， 正是根据驱动程序中的poll函数的返回值来确定，我们的文件描述符的状态是否发生了变化 
            }
            /* Mask out unneeded events. */
            mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;
            fput_light(file, fput_needed);
        }
    }
    pollfd->revents = mask;

    return mask;
}     

　　这里的do_pollfd(...)函数实际上就是执行驱动函数poll，通过驱动函数来判断文件描述符的状态。

　这里我们结合按键驱动的poll函数来分析这个是怎么判断状态的

unsigned int tiny6410_button_poll (struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &button_waitq, wait);
    if (ev_press)
        mask |= POLLIN;
    return mask;
}

（1）驱动函数中的poll_wait(file, &button_waitq, wait) ， 注意wait是table->pt

　　　　poll_wait(file, &button_waitq, wait) ====》table->pt->qproc(file, &button_waitq, table->pt) ===》__pollwait(file,&button_waitq,table->pt)

              这个_pollwait(.....)函数之前提过，现在在重复一遍：

 

static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
                poll_table *p)
{
    ...
    add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);  // add_wait_queue(&button_waitq, &entry->wait)     
}

 

　　这个函数就是将等待对列挂到我们在驱动程序中定义的等待对列：button_waitq中，在这里并不会进入到休眠。

（2）if (ev_press)

　　　　mask |= POLLIN;  

　　 return mask;

　　当有按键按下时，产生中断，在中断服务函数中会将ev_press至为1；

　　当do_pollfd(...) 中调用驱动程序的poll函数时，会检测ev_press，当ev_press==1 时，说明有中断发生，然后mask |= POLLIN 并返回mask

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  当ev_press == 0, 没有中断发生， mask=0，并返回

 　　然后在do_pollfd(...)将根据mask设置revents；

　　最后 do_poll(nfds, head, &table, end_time)中，根据返回do_pollfd()返回的mask值，来判断count是否++ ，即当有中断产生的时候，count++，

从而退出do_poll(...)的死循环。