Linux驅(qū)動(dòng)技術(shù)(五) _設(shè)備阻塞/非阻塞讀寫
等待隊(duì)列是內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度的一個(gè)十分重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其任務(wù)是維護(hù)一個(gè)鏈表，鏈表中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)PCB(進(jìn)程控制塊)，內(nèi)核會將PCB掛在等待隊(duì)列中的所有進(jìn)程都調(diào)度為睡眠狀態(tài)，直到某個(gè)喚醒的條件發(fā)生。應(yīng)用層的阻塞IO與非阻塞IO的使用我已經(jīng)在Linux I/O多路復(fù)用一文中討論過了，本文主要討論驅(qū)動(dòng)中怎么實(shí)現(xiàn)對設(shè)備IO的阻塞與非阻塞讀寫。顯然，實(shí)現(xiàn)這種與阻塞相關(guān)的機(jī)制要用到等待隊(duì)列機(jī)制。本文的內(nèi)核源碼使用的是3.14.0版本
設(shè)備阻塞IO的實(shí)現(xiàn)
當(dāng)我們讀寫設(shè)備文件的IO時(shí)，最終會回調(diào)驅(qū)動(dòng)中相應(yīng)的接口，而這些接口也會出現(xiàn)在讀寫設(shè)備進(jìn)程的進(jìn)程(內(nèi)核)空間中，如果條件不滿足，接口函數(shù)使進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，即使讀寫設(shè)備的用戶進(jìn)程進(jìn)入了睡眠，也就是我們常說的發(fā)生了阻塞。In a word，讀寫設(shè)備文件阻塞的本質(zhì)是驅(qū)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)對設(shè)備文件的阻塞，其讀寫的流程可概括如下:
1. 定義-初始化等待隊(duì)列頭
- //定義等待隊(duì)列頭
- wait_queue_head_t waitq_h;//初始化，等待隊(duì)列頭
- init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或//定義并初始化等待隊(duì)列頭
- DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(waitq_name);
上面的幾條選擇中，***一種會直接定義并初始化一個(gè)等待頭,但是如果在模塊內(nèi)使用全局變量傳參，用著并不方便，具體用哪種看需求。
我們可以追一下源碼，看一下上面這幾行都干了什么：
- //include/linux/wait.h
- struct __wait_queue_head {
- spinlock_t lock;
- struct list_head task_list;
- };
- typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
wait_queue_head_t
--36-->這個(gè)隊(duì)列用的自旋鎖
--27-->將整個(gè)隊(duì)列"串"在一起的紐帶
然后我們看一下初始化的宏:
- #define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) {
- .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),
- .task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } }
- define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
- wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()
--60-->根據(jù)傳入的字符串name，創(chuàng)建一個(gè)名為name的等待隊(duì)列頭
--57-->初始化上述task_list域，竟然沒有用內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)的初始化宏，無語。。。
2. 將本進(jìn)程添加到等待隊(duì)列
為等待隊(duì)列添加事件,即進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到condition為真才返回。**_interruptible的版本版本表示睡眠可中斷,_timeout**版本表示超時(shí)版本，超時(shí)就會返回，這種命名規(guī)范在內(nèi)核API中隨處可見。
- void wait_event(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_interruptible(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
- void wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
這可是等待隊(duì)列的核心，我們來看一下
wait_event
└── wait_event
└── _wait_event
├── abort_exclusive_wait
├── finish_wait
├── prepare_to_wait_event
└── ___wait_is_interruptible
- #define wait_event(wq, condition)
- do {
- if (condition)
- break;
- __wait_event(wq, condition);
- } while (0)
wait_event
--246-->如果condition為真，立即返回
--248-->否則調(diào)用__wait_event
- #define ___wait_event(wq,condition,state, exclusive, ret, cmd) \
- ({ \
- for (;;) { \
- long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\
- \
- if (condition) \
- break; \
- if (___wait_is_interruptible(state) && __int) { \
- __ret = __int; \
- if (exclusive) { \
- abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, \
- state, NULL); \
- goto __out; \
- } \
- break; \
- } \
- cmd; \
- } \
- finish_wait(&wq, &__wait); \
- __out: __ret; \
- })
--206-->死循環(huán)的輪詢
--209-->如果條件為真，跳出循環(huán)，執(zhí)行finish_wait();進(jìn)程被喚醒
--212-->如果進(jìn)程睡眠的方式是interruptible的，那么當(dāng)中斷來的時(shí)候也會abort_exclusive_wait被喚醒
--222-->如果上面兩條都不滿足，就會回調(diào)傳入的schedule()，即繼續(xù)睡眠
模板
- struct wait_queue_head_t xj_waitq_h;
- static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
- { if(!condition) //條件可以在中斷處理函數(shù)中置位
- wait_event_interruptible(&xj_waitq_h,condition);
- }
- static file_operations fops = {
- .read = demo_read,
- };
- static __init demo_init(void){
- init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
- }
IO多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)
對于普通的非阻塞IO，我們只需要在驅(qū)動(dòng)中注冊的read/write接口時(shí)不使用阻塞機(jī)制即可，這里我要討論的是IO多路復(fù)用，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)中的read/write并沒有實(shí)現(xiàn)阻塞機(jī)制的時(shí)候，我們?nèi)绾卫脙?nèi)核機(jī)制來在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)對IO多路復(fù)用的支持。下面這個(gè)就是我們要用的API
- int poll(struct file *filep, poll_table *wait);void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
當(dāng)應(yīng)用層調(diào)用select/poll/epoll機(jī)制的時(shí)候，內(nèi)核其實(shí)會遍歷回調(diào)相關(guān)文件的驅(qū)動(dòng)中的poll接口，通過每一個(gè)驅(qū)動(dòng)的poll接口的返回值，來判斷該文件IO是否有相應(yīng)的事件發(fā)生，我們知道，這三種IO多路復(fù)用的機(jī)制的核心區(qū)別在于內(nèi)核中管理監(jiān)視文件的方式，分別是位，數(shù)組，鏈表，但對于每一個(gè)驅(qū)動(dòng)，回調(diào)的接口都是poll。
模板
- struct wait_queue_head_t waitq_h;static unsigned int demo_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *pts){ unsigned int mask = 0;
- poll_wait(filp, &wwaitq_h, pts); if(counter){
- mask = (POLLIN | POLLRDNORM);
- } return mask;
- }static struct file_operations fops = {
- .owner = THIS_MODULE,
- .poll = demo_poll,
- };static __init demo_init(void){
- init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
- }
其他API
剛才我們討論了如何使用等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)阻塞IO，非阻塞IO，其實(shí)關(guān)于等待隊(duì)列，內(nèi)核還提供了很多其他API用以完成相關(guān)的操作，這里我們來認(rèn)識一下
- //在等待隊(duì)列上睡眠
- sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h);
- sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h);//喚醒等待的進(jìn)程
- void wake_up(wait_queue_t *wqueue);
- void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);
