Linux设备驱动程序 之 异步通知

Posted 2020-12-01 Alex

尽管大多数时候阻塞型和非阻塞型操作的组合以及select方法可以有效的查询设备，但是某些时候用这种技术处理就效率不搞了；

例如：一个进程在低优先级执行长的循环计算，但又需要尽可能快的处理输入数据，如果该进程正在响应来自数据收集外设新观测的数据，则应该在新数据可用时理解知晓并处理；我们可以使用poll来检查，但是跟好的做法是通过异步通知，应用程序可以再数据可用时收到一个信号，而不需要不停的使用轮询来关注数据；

从应用程序的角度

启用文件的异步通知机制，用户程序必须执行两个步骤：

1. 需要制定一个进程作为文件的“属主(owner)”；当进程使用fcntl系统调用执行F_SETOWN命令时，属主进程的ID号就被保存在filp->f_owner中，这样做的目的是为了让内核知道该通知哪个进程；

2. 为了真正启用异步通知机制，用户程序还必须在设备中设置FASYNC标志，这是通过fcntl的F_SETFL命令完成的；

执行完这两个步骤之后，输入文件就可以在新数据到达时发送一个SIGIO信号，该信号被发送到存放在filp->f_owner中的进程，如果f_owner是负值，信号会被发送到该进程组；

使用事例如下：

1 signal(SIGIO, &input_handler);
2 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
3 oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
4 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags|FASYNC);

不是所有设备都支持异步通知，我们可以选择不提供异步通知功能；应用程序通常假设只有套接字和终端才有异步通知能力；

当进程收到SIGIO信号时，并不知道是那个输入文件有了新的输入，如果有多个文件可以异步通知输入进程，则应用程序仍然需要借助poll或者select来确定输入的源；

从驱动程序角度

驱动程序实现异步通知的步骤如下：

1. F_SETOWN被调用时对filp->f_owner赋值；

2. 在执行F_SETFL启用FASYNC时，调用驱动程序的fasync方法，只要filp->f_flags中的FASYNC标志发生了变化，就会调用该方法，以便把这个变化通知驱动程序，使其能正确响应；文件打开时，FASYNC标志被默认为是清除的；

其中fasync方法即为file_operations中的fasync方法：

1 int (*fasync) (int, struct file *, int);

3. 当数据到达时，在所有注册为异步通知的进程都会被发送一个SIGIO信号；

驱动程序需要调用下面两个函数来完成异步通知功能：

1 int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)

1 void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

当一个打开的文件的FASYNC标志被修改时，调用fasync_helper以便从相关的进程列表中增加或者删除文件；除了最后一个参数之外，其他参数都是提供给fasync方法相同的参数，可以直接传递；

在数据到达时，可以调用kill_fasync通知所有相关进程，它的参数包括要发送的信号(通常是SIGIO)和带宽(band)，后者几乎总是POLL_IN，但是在网络待命中，可以用来发送紧急或者带外数据；

当文件关闭时必须调用fasync方法，以便从活动的异步读取进程列表中删除该文件；尽管调用只在filp->f_flags设置了FASYNC标志时才是必须的，但不管什么情况，调用它不会有坏处，并且也是普遍的实现方法；