Linux驱动开发阻塞和非阻塞IO

Posted 2022-12-01 XXX_UUU_XXX

• IO：应用程序对设备驱动进行输入/输出操作。
• 阻塞IO：当资源不用时，将应用程序对应的线程挂起，当资源可用时，唤醒任务。
• 非阻塞IO：当资源不可用时，应用程序轮询等待或放弃。具有超时处理机制

设备驱动文件默认读取方式：阻塞式。

应用程序阻塞读取数据

int fd;
int data = 0;

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

应用程序阻塞读取数据，添加参数O_NONBLOCK

int fd;
int data = 0;

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

阻塞—等待队列

当设备文件不可操作时，进程进入休眠状态，将CPU资源让出来。在设备文件可以操作时，唤醒进程，一般是在中断函数中唤醒。

Linux内核使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。

等待队列头

等待队列头是等待队列的头部。

使用结构体wait_queue_head_t定义一个等待队列头，然后用init_waitqueue_head函数初始化等待队列头。或使用宏DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD一次性定义初始化等待队列头。

等待队列项

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，将这些进程对应的等待队列项添加到等待队列。

使用结构体wait_queue_t表示等待队列项，使用宏DECLARE_WAITQUEUE定义并初始化一个等待队列项。

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

• name：等待队列项名字。
• tsk：等待队列属于的进程，一般设置为current。Linux内核中current是一个全局变量，表示当前进程。

将等待队列项添加到等待队列头

当设备不可访问时，将进程对应的等待队列项添加到之前创建的等待队列头中，只有添加到等待队列头后，进程才能进入休眠态。

add_wait_queue函数原型如下：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

•  q：等待队列项要加入的等待队列头。
• wait：等待队列项。
• 返回值：无。

移除等待队列头

当设备可以访问时，将进程对应的等待队列项从等待队列头中删除。

remove_wait_queue函数原型如下：

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

•  q：要删除的等待队列项所处的等待队列头。
• wait：要删除的等待队列项。
• 返回值：无。

等待唤醒

当设备可用时，唤醒进入休眠态的进程。wake_up函数唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程。wake_up_interruptible函数只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程。

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

• q：要唤醒的等待队列头。
•  返回值：无。

等待事件

除了主动唤醒，还可以设置等待某个事件，当事件满足后自动唤醒等待队列中的进程。

wait_event(wq, condition)

wait_event函数，condition条件为真时，以wq为等待队列头的等待队列被唤醒，否则一直阻塞，会将进程设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。

wait_event_timeout(wq, condition, timeout)

wait_event_timeout函数，和wait_event函数类似，可以添加超时时间，以jiffies为单位，函数返回0，超时时间到，condition为假；返回1，条件满足，condition为真。

wait_event_interruptible(wq, condition)

wait_event_interruptible函数，和wait_event函数类似，将进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，可以被信号打断。

wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)

wait_event_interruptible_timeout函数，和wait_event_timeout函数类似，将进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，可以被信号打断。

非阻塞—轮询

应用程序以非阻塞方式访问设备，设备驱动程序要提供非阻塞的处理方式。

• 应用程序通过select、epoll或poll函数查询设备是否可以操作，如果可以操作的话，从设备读取或向设备写入数据。
• 设备驱动程序执行poll函数。

应用程序

select

int select(int            nfds,
           fd_set         *readfds,
           fd_set         *writefds,
           fd_set         *exceptfds,
           struct timeval *timeout);

• nfds：要监视的三类文件描述符集合中，最大文件描述符加1。 
• readfds、writefds和exceptfds：都是fd_set类型，fd_set类型变量的每一个位都代表一个文件描述符。readfds用于监视文件描述符集是否可以读取，如果集合中有一个文件可以读取，返回一个大于0的值表示可读，如果没有文件可以读取，根据timeout参数判断是否超时。如果readfds设置为NULL表示不关心文件的读变化。writefds用于监视文件是否可以进行写操作。exceptfds用于监视文件的异常。
• timeout：超时时间。当timeout设置为NULL表示无限期等待。
• 返回值：0，超时发生，但是没有任何文件描述符可以进行操作；-1，发生错误；其他值，进行操作的文件描述符个数。

当定义一个fd_set类型变量，可以进行使用宏进行操作。

void FD_ZERO(fd_set *set)
void FD_SET(int fd, fd_set *set)
void FD_CLR(int fd, fd_set *set)
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set)

• FD_ZERO用于将fd_set变量的所有位都清零。
• FD_SET用于将fd_set变量的某个位置1，也就是向 fd_set添加一个文件描述符，参数fd就是要加入的文件描述符。
• FD_CLR用于将 fd_set变量的某个位清零，也就是将一个文件描述符从fd_set中删除，参数fd就是要删除的文件描述符。
• FD_ISSET 用于测试一个文件是否属于某个集合，参数fd就是要判断的文件描述符。

select函数非阻塞访问示例：

void main(void) 
    int ret, fd;             /* 要监视的文件描述符 */
    fd_set readfds;          /* 读操作 文件描述符 */
    struct timeval timeout;  /* 超时时间 */

    fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞访问 */
    
    FD_ZERO(&readfds);       /* 清楚readfds */
    FD_SET(fd, &readfds);    /* 将fd添加到readfds */

    timeout.tv_sec = 0;
    timeout.tv_usec = 500000; /* 500 ms */

    ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

    switch(ret) 
        case 0: /* 超时 */
            printf("timeout\\r\\n");
            break;
        case -1: /* 错误 */
            printf("error\\r\\n");
            break;
        default: /* 读数据 */
            if(FD_ISSET(fd, &readfds))  /* 判断是否为文件描述符 */
                /* read函数读取数据代码 */
            
            break;            
    

poll

在单个线程中，select函数能够监视的文件描述符最大数量为1024，poll函数没有最大文件描述符限制。

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

int poll(struct pollfd *fds;
         nfds_t        nfds,
         int           timeout)

• fd：要监视的文件描述符，fd无效则events监视事件无效，revents返回0。
• events：要监视的事件。events可监视事件的类型。
  • 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          无效的请求
  • POLLNVAL         指定的文件描述符挂起
  • POLLRDNORM  等同于POLLIN
• revents：返回的事件，由内核设置具体的返回事件。
• fds：要监视的文件描述符集合及要监视的事件，fds为一个数组，数组元素都是结构体pollfd类型。
• nfds：poll函数要监视的文件描述符数量。
• timeout：超时时间，单位ms。
• 返回值：返回发生事件或错误的文件描述符数量，0，超时；-1，发生错误并设置errno为错误类型。

poll函数非阻塞访问示例：

void main(void) 
    int ret, fd;       /* 要监视的文件描述符 */
    struct pollfd fds; /* pollfd结构体 */ 

    fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞访问 */
    
    fds.fd = fd;
    fds.events = POLLIN; /* 监视数据是否可读 */
    
    ret = poll(&fds, 1, 500);  /* 轮询文件是否可操作， 超时500ms */
    if (ret) 
        /* 读取数据代码 */
     else if (ret == 0) 
        /* 超时 */
     else if (ret == -1) 
        /* 错误 */
    

epoll

select和poll函数都会随着监听fd数量的增加，出现效率低下的问题，poll函数每次必须遍历所有描述符来检查就绪的描述符，浪费时间。涉及的文件描述符较少时适合用select和poll函数。

epoll函数为处理大并发而准备的，常用于网络编程。

应用程序先使用epoll_create创建一个epoll句柄。

int epoll_create(int size)

• size：Linux版本2.6.8开始size参数没有意义，写一个大于0的值即可。 
• 返回值：epoll句柄，-1表示创建失败。

epoll句柄创建成功后使用epoll_ctl向其中添加要监视的文件描述符和监视的事件。

struct epoll_event 
    uint32_t     event; /* epoll事件 */
    epoll_data_t data;  /* 用户数据 */
;

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

• events：要监视的事件。
  • EPOLLIN 数据可读。
  • EPOLLOUT 可写数据。
  • 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，默认为水平触发。
  • EPOLLONESHOT 一次性监视，当监视完成后还需要再次监视某个fd，需要将fd重新添加到epoll。
• epfd：epoll_create创建的句柄。
• op：对epfd进行的操作。
  • EPOLL_CTL_ADD 向epfd添加参数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文件描述符 。
• fd：要监视的文件描述符。
• event：要监视的事件类型。
• 返回值：0，成功；-1，失败，并设置errno的值为相应的错误码。

应用程序使用epoll_wait等待事件发生。

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

• epfd：要等待的epoll。 
• events：指向epoll_event结构体的数组，当有事件发生时Linux内核会填写events。
• maxevents：events数组大小，必须大于0。
• timeout：超时时间，单位ms。
• 返回值：0，超时；-1，错误；其他值，准备就绪的文件描述符数量。

设备驱动程序—poll操作函数

应用程序调用select或poll函数对驱动程序进行非阻塞访问时，驱动程序file_operations操作集中poll函数就会执行。

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

• filp：要打开的设备文件，即文件描述符。
• wait：poll_table_struct类型指针，应用程序传进来，wait参数传给poll_wait函数。
• 返回值：向应用程序返回设备状态。
  • 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          无效的请求
  • POLLNVAL         指定的文件描述符挂起
  • POLLRDNORM  等同于POLLIN

驱动程序的poll函数中调用poll_wait函数，poll_wait不会引起阻塞，只是将应用程序添加到poll_table中。

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

•  filp：要打开的设备文件，即文件描述符。
• wait_address：要添加到poll_table中的等待队列头。
• p：file_operation中poll函数的wait参数。