Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)踐：驅(qū)動(dòng)程序如何發(fā)送【信號(hào)】給應(yīng)用程序？
別人的經(jīng)驗(yàn)，我們的階梯!
大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說(shuō)的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)是：【驅(qū)動(dòng)層中，如何發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用程序】。
在上一篇文章中，我們討論的是：在應(yīng)用層如何發(fā)送指令來(lái)控制驅(qū)動(dòng)層的 GPIOLinux驅(qū)動(dòng)實(shí)踐：如何編寫【 GPIO 】設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?。控制的方向是從應(yīng)用層到驅(qū)動(dòng)層：
那么，如果想讓程序的執(zhí)行路徑從下往上，也就是從驅(qū)動(dòng)層傳遞到應(yīng)用層，應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)呢?
最容易、最簡(jiǎn)單的方式，就是通過(guò)發(fā)送信號(hào)!
這篇文章繼續(xù)以完整的代碼實(shí)例來(lái)演示如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。
kill 命令和信號(hào)
使用 kill 命令發(fā)送信號(hào)
關(guān)于 Linux 操作系統(tǒng)的信號(hào)，每位程序員都知道這個(gè)指令：使用 kill 工具來(lái)“殺死”一個(gè)進(jìn)程：
- $ kill -9 <進(jìn)程的 PID>
這個(gè)指令的功能是：向指定的某個(gè)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào) 9，這個(gè)信號(hào)的默認(rèn)功能是：是停止進(jìn)程。
雖然在應(yīng)用程序中沒有主動(dòng)處理這個(gè)信號(hào)，但是操作系統(tǒng)默認(rèn)的處理動(dòng)作是終止應(yīng)用程序的執(zhí)行。
除了發(fā)送信號(hào) 9，kill 命令還可以發(fā)送其他的任意信號(hào)。
在 Linux 系統(tǒng)中，所有的信號(hào)都使用一個(gè)整型數(shù)值來(lái)表示，可以打開文件 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/signum.h(你的系統(tǒng)中可能位于其它的目錄) 查看一下，比較常見的幾個(gè)信號(hào)是：
- /* Signals. */
- #define SIGINT 2 /* Interrupt (ANSI). */
- #define SIGKILL 9 /* Kill, unblockable (POSIX). */
- #define SIGUSR1 10 /* User-defined signal 1 (POSIX). */
- #define SIGSEGV 11 /* Segmentation violation (ANSI). */
- #define SIGUSR2 12 /* User-defined signal 2 (POSIX). */
- ...
- ...
- #define SIGSYS 31 /* Bad system call. */
- #define SIGUNUSED 31
- #define _NSIG 65 /* Biggest signal number + 1
- (including real-time signals). */
- /* These are the hard limits of the kernel. These values should not be
- used directly at user level. */
- #define __SIGRTMIN 32
- #define __SIGRTMAX (_NSIG - 1)
信號(hào) 9 對(duì)應(yīng)著 SIGKILL，而信號(hào)11(SIGSEGV)就是最令人討厭的Segmentfault!
這里還有一個(gè)地方需要注意一下：實(shí)時(shí)信號(hào)和非實(shí)時(shí)信號(hào)，它倆的主要區(qū)別是：
- 非實(shí)時(shí)信號(hào)：操作系統(tǒng)不確保應(yīng)用程序一定能接收到(即：信號(hào)可能會(huì)丟失);
- 實(shí)時(shí)信號(hào)：操作系統(tǒng)確保應(yīng)用程序一定能接收到;
如果我們的程序設(shè)計(jì)，通過(guò)信號(hào)機(jī)制來(lái)完成一些功能，那么為了確保信號(hào)不會(huì)丟失，肯定是使用實(shí)時(shí)信號(hào)的。
從文件 signum.h 中可以看到，實(shí)時(shí)信號(hào)從 __SIGRTMIN(數(shù)值：32) 開始。
多線程中的信號(hào)
我們?cè)诰帉憫?yīng)用程序時(shí)，雖然沒有接收并處理 SIGKILL 這個(gè)信號(hào)，但是一旦別人發(fā)送了這個(gè)信號(hào)，我們的程序就被操作系統(tǒng)停止掉了，這是默認(rèn)的動(dòng)作。
那么，在應(yīng)用程序中，應(yīng)該可以主動(dòng)聲明接收并處理指定的信號(hào)，下面就來(lái)寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)例。
在一個(gè)應(yīng)用程序中，可能存在多個(gè)線程;
當(dāng)有一個(gè)信號(hào)發(fā)送給此進(jìn)程時(shí)，所有的線程都可能接收到，但是只能有一個(gè)線程來(lái)處理;
在這個(gè)示例中，只有一個(gè)主線程來(lái)接收并處理信號(hào);
信號(hào)注冊(cè)和處理函數(shù)
按照慣例，所有應(yīng)用程序文件都創(chuàng)建在 ~/tmp/App 目錄中。
- // 文件：tmp/App/app_handle_signal/app_handle_signal.c
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <unistd.h>
- #include <sys/ioctl.h>
- #include <signal.h>
- // 信號(hào)處理函數(shù)
- static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
- {
- // 打印接收到的信號(hào)值
- printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
- }
- int main(void)
- {
- int count = 0;
- // 注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)
- struct sigaction sa;
- sigemptyset(&sa.sa_mask);
- sa.sa_sigaction = &signal_handler;
- sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
- sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
- sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL);
- // 一直循環(huán)打印信息，等待接收發(fā)信號(hào)
- while (1)
- {
- printf("app_handle_signal is running...count = %d \n", ++count);
- sleep(5);
- }
- return 0;
- }
這個(gè)示例程序接收的信號(hào)是 SIGUSR1 和 SIGUSR2，也就是數(shù)值 10 和 12。
編譯、執(zhí)行：
- $ gcc app_handle_signal.c -o app_handle_signal
- $ ./app_handle_signal
此時(shí)，應(yīng)用程序開始執(zhí)行，等待接收信號(hào)。
在另一個(gè)終端中，使用kill指令來(lái)發(fā)送信號(hào)SIGUSR1或者 SIGUSR2。
kill 發(fā)送信號(hào)，需要知道應(yīng)用程序的 PID，可以通過(guò)指令: ps -au | grep app_handle_signal 來(lái)查看。
其中的15428就是進(jìn)程的 PID。
執(zhí)行發(fā)送信號(hào)SIGUSR1指令：
- $ kill -10 15428
此時(shí)，在應(yīng)用程序的終端窗口中，就能看到下面的打印信息：
說(shuō)明應(yīng)用程序接收到了 SIGUSR1 這個(gè)信號(hào)!
注意：我們是使用kill命令來(lái)發(fā)送信號(hào)的，kill 也是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，程序的執(zhí)行路徑如下：
在這個(gè)執(zhí)行路徑中，我們可控的部分是應(yīng)用層，至于操作系統(tǒng)是如何接收kill的操作，然后如何發(fā)送信號(hào)給 app_handle_signal 進(jìn)程的，我們不得而知。
下面就繼續(xù)通過(guò)示例代碼來(lái)看一下如何在驅(qū)動(dòng)層主動(dòng)發(fā)送信號(hào)。
驅(qū)動(dòng)程序代碼示例：發(fā)送信號(hào)
功能需求
在剛才的簡(jiǎn)單示例中，可以得出下面這些信息：
- 信號(hào)發(fā)送方：必須知道向誰(shuí)[PID]發(fā)送信號(hào)，發(fā)送哪個(gè)信號(hào);
- 信號(hào)接收方：必須定義信號(hào)處理函數(shù)，并且向操作系統(tǒng)注冊(cè)：接收哪些信號(hào);
發(fā)送方當(dāng)然就是驅(qū)動(dòng)程序了，在示例代碼中，繼續(xù)使用 SIGUSR1 信號(hào)來(lái)測(cè)試。
那么，驅(qū)動(dòng)程序如何才能知道應(yīng)用程序的PID呢?可以讓應(yīng)用程序通過(guò)oictl函數(shù)，把自己的PID主動(dòng)告訴驅(qū)動(dòng)程序：
驅(qū)動(dòng)程序
這里的示例代碼，是在上一篇文章的基礎(chǔ)上修改的，改動(dòng)部分的內(nèi)容，使用宏定義 MY_SIGNAL_ENABLE 控制起來(lái)，方便查看和比較。
以下所有操作的工作目錄，都是與上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。
- $ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers/
- $ mkdir my_driver_signal
- $ cd my_driver_signal
- $ touch my_driver_signal.c
my_driver_signal.c 文件的內(nèi)容如下(不需要手敲，文末有代碼下載鏈接)：
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/kernel.h>
- #include <linux/ctype.h>
- #include <linux/device.h>
- #include <linux/cdev.h>
- // 新增的頭文件
- #include <asm/siginfo.h>
- #include <linux/pid.h>
- #include <linux/uaccess.h>
- #include <linux/sched/signal.h>
- #include <linux/pid_namespace.h>
- // GPIO 硬件相關(guān)宏定義
- #define MYGPIO_HW_ENABLE
- // 新增部分，使用這個(gè)宏控制起來(lái)
- #define MY_SIGNAL_ENABLE
- // 設(shè)備名稱
- #define MYGPIO_NAME "mygpio"
- // 一共有４個(gè)GPIO
- #define MYGPIO_NUMBER 4
- // 設(shè)備類
- static struct class *gpio_class;
- // 用來(lái)保存設(shè)備
- struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER];
- // 用來(lái)保存設(shè)備號(hào)
- int gpio_major = 0;
- int gpio_minor = 0;
- #ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
- // 用來(lái)保存向誰(shuí)發(fā)送信號(hào)，應(yīng)用程序通過(guò) ioctl 把自己的進(jìn)程 ID 設(shè)置進(jìn)來(lái)。
- static int g_pid = 0;
- #endif
- #ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
- // 硬件初始化函數(shù)，在驅(qū)動(dòng)程序被加載的時(shí)候(gpio_driver_init)被調(diào)用
- static void gpio_hw_init(int gpio)
- {
- printk("gpio_hw_init is called: %d. \n", gpio);
- }
- // 硬件釋放
- static void gpio_hw_release(int gpio)
- {
- printk("gpio_hw_release is called: %d. \n", gpio);
- }
- // 設(shè)置硬件GPIO的狀態(tài)，在控制GPIO的時(shí)候(gpio_ioctl)被調(diào)研
- static void gpio_hw_set(unsigned long gpio_no, unsigned int val)
- {
- printk("gpio_hw_set is called. gpio_no = %ld, val = %d. \n", gpio_no, val);
- }
- #endif
- #ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
- // 用來(lái)發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用程序
- static void send_signal(int sig_no)
- {
- int ret;
- struct siginfo info;
- struct task_struct *my_task = NULL;
- if (0 == g_pid)
- {
- // 說(shuō)明應(yīng)用程序沒有設(shè)置自己的 PID
- printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid);
- return;
- }
- printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid);
- // 構(gòu)造信號(hào)結(jié)構(gòu)體
- memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo));
- info.si_signo = sig_no;
- info.si_errno = 100;
- info.si_code = 200;
- // 獲取自己的任務(wù)信息，使用的是 RCU 鎖
- rcu_read_lock();
- my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);
- rcu_read_unlock();
- if (my_task == NULL)
- {
- printk("get pid_task failed! \n");
- return;
- }
- // 發(fā)送信號(hào)
- ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task);
- if (ret < 0)
- {
- printk("send signal failed! \n");
- }
- }
- #endif
- // 當(dāng)應(yīng)用程序打開設(shè)備的時(shí)候被調(diào)用
- static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file)
- {
- printk("gpio_open is called. \n");
- return 0;
- }
- #ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
- static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
- {
- void __user *pArg;
- printk("gpio_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd);
- if (100 == cmd)
- {
- // 說(shuō)明應(yīng)用程序設(shè)置進(jìn)程的 PID
- pArg = (void *)arg;
- if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int)))
- {
- printk("access failed! \n");
- return -EACCES;
- }
- // 把用戶空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間
- if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int)))
- {
- printk("copy_from_user failed! \n");
- return -EFAULT;
- }
- printk("save g_pid success: %d \n", g_pid);
- if (g_pid > 0)
- {
- // 發(fā)送信號(hào)
- send_signal(SIGUSR1);
- send_signal(SIGUSR2);
- }
- }
- return 0;
- }
- #else
- // 當(dāng)應(yīng)用程序控制GPIO的時(shí)候被調(diào)用
- static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int val, unsigned long gpio_no)
- {
- printk("gpio_ioctl is called. \n");
- if (0 != val && 1 != val)
- {
- printk("val is NOT valid! \n");
- return 0;
- }
- if (gpio_no >= MYGPIO_NUMBER)
- {
- printk("dev_no is invalid! \n");
- return 0;
- }
- printk("set GPIO: %ld to %d. \n", gpio_no, val);
- #ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
- gpio_hw_set(gpio_no, val);
- #endif
- return 0;
- }
- #endif
- static const struct file_operations gpio_ops={
- .owner = THIS_MODULE,
- .open = gpio_open,
- .unlocked_ioctl = gpio_ioctl
- };
- static int __init gpio_driver_init(void)
- {
- int i, devno;
- dev_t num_dev;
- printk("gpio_driver_init is called. \n");
- // 動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)(嚴(yán)謹(jǐn)點(diǎn)的話，應(yīng)該檢查函數(shù)返回值)
- alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME);
- // 獲取主設(shè)備號(hào)
- gpio_major = MAJOR(num_dev);
- printk("gpio_major = %d. \n", gpio_major);
- // 創(chuàng)建設(shè)備類
- gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME);
- // 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)
- for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
- {
- // 設(shè)備號(hào)
- devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i);
- // 初始化cdev結(jié)構(gòu)
- cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops);
- // 注冊(cè)字符設(shè)備
- cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1);
- // 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)
- device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i);
- }
- #ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
- for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
- {
- // 初始硬件GPIO
- gpio_hw_init(i);
- }
- #endif
- return 0;
- }
- static void __exit gpio_driver_exit(void)
- {
- int i;
- printk("gpio_driver_exit is called. \n");
- // 刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn)
- for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
- {
- cdev_del(&gpio_cdev[i]);
- device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i));
- }
- // 釋放設(shè)備類
- class_destroy(gpio_class);
- #ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
- for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
- {
- gpio_hw_release(i);
- }
- #endif
- // 注銷設(shè)備號(hào)
- unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER);
- }
- MODULE_LICENSE("GPL");
- module_init(gpio_driver_init);
- module_exit(gpio_driver_exit);
這里大部分的代碼，在上一篇文章中已經(jīng)描述的比較清楚了，這里把重點(diǎn)關(guān)注放在這兩個(gè)函數(shù)上：gpio_ioctl 和 send_signal。
(1)函數(shù) gpio_ioctl
當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用 ioctl() 的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)程序中的 gpio_ioctl 就會(huì)被調(diào)用。
這里定義一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議：當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用參數(shù)中 cmd 為 100 的時(shí)候，就表示用來(lái)告訴驅(qū)動(dòng)程序自己的 PID。
驅(qū)動(dòng)程序定義了一個(gè)全局變量 g_pid，用來(lái)保存應(yīng)用程序傳入的參數(shù)PID。
需要調(diào)用函數(shù) copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))，把用戶空間的參數(shù)復(fù)制到內(nèi)核空間中;
成功取得PID之后，就調(diào)用函數(shù) send_signal 向應(yīng)用程序發(fā)送信號(hào)。
這里僅僅是用于演示目的，在實(shí)際的項(xiàng)目中，可能會(huì)根據(jù)接收到硬件觸發(fā)之后再發(fā)送信號(hào)。
(2)函數(shù) send_signal
這個(gè)函數(shù)主要做了3件事情：
構(gòu)造一個(gè)信號(hào)結(jié)構(gòu)體變量：struct siginfo info;
通過(guò)應(yīng)用程序傳入的 PID，獲取任務(wù)信息：pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);
發(fā)送信號(hào)：send_sig_info(sig_no, &info, my_task);
驅(qū)動(dòng)模塊 Makefile
- $ touch Makefile
內(nèi)容如下：
- ifneq ($(KERNELRELEASE),)
- obj-m := my_driver_signal.o
- else
- KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
- PWD := $(shell pwd)
- default:
- $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
- clean:
- $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
- endif
編譯驅(qū)動(dòng)模塊
- $ make
得到驅(qū)動(dòng)程序： my_driver_signal.ko 。
加載驅(qū)動(dòng)模塊
- $ sudo insmod my_driver_signal.ko
通過(guò) dmesg 指令來(lái)查看驅(qū)動(dòng)模塊的打印信息：
因?yàn)槭纠a是在上一篇GPIO的基礎(chǔ)上修改的，因此創(chuàng)建的設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，與上篇文章是一樣的：
應(yīng)用程序代碼示例：接收信號(hào)
注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)
應(yīng)用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目錄下。
- $ mkdir ~/tmp/App/app_mysignal
- $ cd ~/tmp/App/app_mysignal
- $ touch mysignal.c
文件內(nèi)容如下：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <unistd.h>
- #include <assert.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <sys/ioctl.h>
- #include <signal.h>
- #define MY_GPIO_NUMBER 4
- char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = {
- "/dev/mygpio0",
- "/dev/mygpio1",
- "/dev/mygpio2",
- "/dev/mygpio3"
- };
- // 信號(hào)處理函數(shù)
- static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
- {
- // 打印接收到的信號(hào)值
- printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
- printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n",
- info->si_signo,
- info->si_code,
- info->si_errno);
- }
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int fd, count = 0;
- int pid = getpid();
- // 打開GPIO
- if((fd = open("/dev/mygpio0", O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){
- printf("open dev failed! \n");
- return -1;
- }
- printf("open dev success! \n");
- // 注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)
- struct sigaction sa;
- sigemptyset(&sa.sa_mask);
- sa.sa_sigaction = &signal_handler;
- sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
- sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
- sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL);
- // set PID
- printf("call ioctl. pid = %d \n", pid);
- ioctl(fd, 100, &pid);
- // 休眠1秒，等待接收信號(hào)
- sleep(1);
- // 關(guān)閉設(shè)備
- close(fd);
- }
可以看到，應(yīng)用程序主要做了兩件事情：
(1)首先通過(guò)函數(shù) sigaction() 向操作系統(tǒng)注冊(cè)了信號(hào) SIGUSR1 和 SIGUSR2，它倆的信號(hào)處理函數(shù)是同一個(gè)：signal_handler()。
除了 sigaction 函數(shù)，應(yīng)用程序還可以使用 signal 函數(shù)來(lái)注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù);
(2)然后通過(guò) ioctl(fd, 100, &pid); 向驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置自己的 PID。
編譯應(yīng)用程序：
- $ gcc mysignal.c -o mysignal
執(zhí)行應(yīng)用程序：
- $ sudo ./mysignal
根據(jù)剛才驅(qū)動(dòng)程序的代碼，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序接收到設(shè)置PID的命令之后，會(huì)立刻發(fā)送兩個(gè)信號(hào)：
先來(lái)看一下 dmesg 中驅(qū)動(dòng)程序的打印信息：
可以看到：驅(qū)動(dòng)把這兩個(gè)信號(hào)(10 和 12)，發(fā)送給了應(yīng)用程序(PID=6259)。
應(yīng)用程序的輸出信息如下：
可以看到：應(yīng)用程序接收到信號(hào) 10 和 12，并且正確打印出信號(hào)中攜帶的一些信息!
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「IOT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)」
