【linux】驅動-13-阻塞與非阻塞

目錄

• 前言
• 13. 阻塞與非阻塞
  • 13.1 阻塞與非阻塞
  • 13.2 休眠與喚醒
    • 13.2.1 內核休眠函數
    • 13.2.2 內核喚醒函數
  • 13.3 等待隊列（阻塞）
    • 13.3.1 定義等待隊列頭部
    • 13.3.2 初始化等待隊列頭部
    • 13.3.3 定義等待隊列元素
    • 13.3.4 添加/移除等待隊列元素
    • 13.3.5 等待事件
    • 13.3.6 喚醒隊列
    • 13.3.7 在等待隊列上睡眠
  • 13.4 輪詢
    • 13.4.1 select 函數
    • 13.4.2 poll 函數
    • 13.4.3 epoll 函數
  • 13.5 驅動中的 poll 函數

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前言

13. 阻塞與非阻塞

本章內容為驅動基石之一。
驅動只提供功能，不提供策略。

阻塞與非阻塞 都是應用程序主動訪問的。從應用角度去解讀阻塞與非阻塞。

原文：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14912496.html

13.1 阻塞與非阻塞

阻塞：

• 指在執行設備操作時，若不能獲得資源，則掛起進程，直至滿足操作的條件后再繼續執行。

非阻塞：

• 指在執行設備操作時，若不能獲得資源，則不掛起，要么放棄，要么不停查詢，直至設備可操作。

實現阻塞的常用技能包括：(目的其實就是阻塞)

• 休眠與喚醒機制（和等待隊列相輔相成）。
• 等待隊列（和休眠與喚醒機制相輔相成）。
• poll機制。

13.2 休眠與喚醒

若需要實現阻塞式訪問，可以使用休眠與喚醒機制。

相關函數其實在 等待隊列 小節有說明了，現在只是函數匯總。

13.2.1 內核休眠函數

內核源碼路徑：include\linux\wait.h。

函數名	描述
wait_event(wq, condition)	休眠，直至 condition 為真；休眠期間不能被打斷。
wait_event_interruptible(wq, condition)	休眠，直至 condition 為真；休眠期間可被打斷，包括信號。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 為真或超時；休眠期間不能被打斷。
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 為真或超時；休眠期間可被打斷，包括信號。

13.2.2 內核喚醒函數

內核源碼路徑：include\linux\wait.h。

函數名	描述
wake_up_interruptible(x)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的線程，只喚醒其中的一個線程
wake_up_interruptible_nr(x, nr)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的線程，只喚醒其中的 nr 個線程
wake_up_interruptible_all(x)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的線程，喚醒其中的所有線程
wake_up(x)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的線程，只喚醒其中的一個線程
wake_up_nr(x, nr)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的線程，只喚醒其中 nr 個線程
wake_up_all(x)	喚醒 x 隊列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的線程，喚醒其中的所有線程

13.3 等待隊列（阻塞）

等待隊列：

• 其實就是內核的一個隊列功能單位&API。
• 在驅動中，可以使用等待隊列來實現阻塞進程的喚醒。

使用方法：

1. 定義等待隊列頭部。
2. 初始化等待隊列頭部。
3. 定義等待隊列元素。
4. 添加/移除等待隊列。
5. 等待事件。
6. 喚醒隊列。

另外一種使用方法就是 在等待隊列上睡眠。

等待隊列頭部結構體：

struct wait_queue_head {
	spinlock_t		lock;
	struct list_head	head;
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

等待隊列元素結構體：

struct wait_queue_entry {
	unsigned int		flags;
	void			*private;
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;
};

13.3.1 定義等待隊列頭部

定義等待隊列頭部方法：wait_queue_head_t my_queue;

13.3.2 初始化等待隊列頭部

初始化等待隊列頭部源碼：void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);
或
定義&初始化等待隊列頭部：使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD。

13.3.3 定義等待隊列元素

定義等待隊列元素源碼：#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);

• name：該等待隊列元素的名字。
• tsk：該等待隊列元素歸屬於哪個任務進程。

13.3.4 添加/移除等待隊列元素

添加等待隊列元素源碼：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

• wq_head：等待隊列頭部。
• wq_entry：等待隊列。

移除等待隊列元素源碼：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

• wq_head：等待隊列頭部。
• wq_entry：等待隊列。

13.3.5 等待事件

睡眠，直至事件發生：wait_event(wq_head, condition)

• wq_head：等待隊列頭。
• condition：事件。當其為真時，跳出。

/**
 * wait_event - sleep until a condition gets true
 * @wq_head: the waitqueue to wait on
 * @condition: a C expression for the event to wait for
 *
 * The process is put to sleep (TASK_UNINTERRUPTIBLE) until the
 * @condition evaluates to true. The @condition is checked each time
 * the waitqueue @wq_head is woken up.
 *
 * wake_up() has to be called after changing any variable that could
 * change the result of the wait condition.
 */
#define wait_event(wq_head, condition)						\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

• TASK_INTERRUPTIBLE：處於等待隊伍中，等待資源有效時喚醒（比如等待鍵盤輸入、socket連接等等），可被信號中斷喚醒。可被 信號 和 wake_up() 喚醒。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE：處於等待隊伍中，等待資源有效時喚醒（比如等待鍵盤輸入、socket連接等等），但會忽略信號、不可以被中斷喚醒。即是只能由 wake_up() 喚醒。

睡眠，直至事件發生或超時：wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

等待事件發生，且可被信號中斷喚醒：wait_event_interruptible(wq_head, condition)
等待事件發生或超時，且可被信號中斷喚醒：wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition, timeout)

io_wait_event()：

/*
 * io_wait_event() -- like wait_event() but with io_schedule()
 */
#define io_wait_event(wq_head, condition)					\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__io_wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

13.3.6 喚醒隊列

以下兩個函數對應等待事件使用：

• 喚醒隊列：void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
• 喚醒隊列，信號中斷可喚醒：void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

13.3.7 在等待隊列上睡眠

函數源碼：

• sleep_on(wait_queue_head_t *q)
• interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
• sleep_on()：
  • 把當前進程狀態設置為 TASK_INTERRUPTIBLE，並定義一個等待隊列元素，並添加到 q 中。
  • 直到資源可用或 q 隊列指向鏈接的進程被喚醒。
  • 與 wake_up() 配套使用。interruptible_sleep_on() 與 wake_up_interruptible() 配套使用。

13.4 輪詢

當用戶應用程序以非阻塞的方式訪問設備，設備驅動程序就要提供非阻塞的處理方式。
poll、epoll 和 select 可以用於處理輪詢。這三個 API 均在 應用層 使用。

注意，輪詢也是在APP實現輪詢的。

13.4.1 select 函數

select()：

• 函數原型：int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
• numfds：需要檢查的 fd 中最大的 fd + 1。
• readfds：讀 文件描述符集合。NULL 不關心這個。
• writefds：寫 文件描述符集合。NULL 不關心這個。
• exceptfds：異常 文件描述符集合。NULL 不關心這個。
• timeout：超時時間。NULL 時為無限等待。
• 時間結構體：

struct timeval{
    long tv_sec;    // 秒
    long tv_usec;   // 微妙
};

• 返回：
  • 0：超時。
  • -1：錯誤。
  • 其他值：可進行操作的文件描述符個數。
• 原理：fd_set 為一個 N 字節類型，需要操作的 fd 值在對應比特上置為 1 即可。若 fd 的值為 6，需要檢查讀操作，則把 readfds 第 6 個 bit 置 1。調用該函數后，先把對應 fd_set 清空，再檢查、標記可操作情況。Linux 提供以下接口操作：

FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 把 fd 對應的 set bit 清空。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 查看 d 對應的 set bit 是否被置 **1**。
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 把 fd 對應的 set bit 置 **1**。
FD_ZERO(fd_set *set); // 把 set 全部清空。

fd_set 是有限制的，可以查看源碼，修改也可。但是改大會影響系統效率。

13.4.2 poll 函數

由於 fd_set 是有限制的，所以當需要監測大量文件時，便不可用。
這時候，poll() 函數就應運而生。

poll() 和 select() 沒什么區別，只是前者沒有最大文件描述符限制。

• 函數原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
• fds：要監視的文件描述符集合。
• nfds：要監視的文件描述符數量。
• timeout：超時時間。單位 ms。
• 返回：
  • 0：超時。
  • -1：發生錯誤，並設置 error 為錯誤類型。
  • 其它：返回 revent 域值不為 0 的 pollfd 個數。即是發生事件或錯誤的文件描述符數量。

被監視的文件描述符格式：

struct pollfd{
    int fd; /* 文件描述符 */
    short events; /* 請求的事件 */
    short revents; /* 返回的時間 */
}

可請求的事件 events：

宏	說明
POLLIN	有數據可讀
POLLPRI	有緊急的數據需要讀取
POLLOUT	可以寫數據
POLLERR	指定的文件描述符發生錯誤
POLLHUP	指定的文件描述符被掛起
POLLNVAL	無效的請求
POLLRDNORM	等同於 POLLIN

13.4.3 epoll 函數

select() 和 poll() 會隨着監測的 fd 數量增加，而出現效率低下的問題。
poll() 每次監測都需要歷遍所有被監測的描述符。

epoll() 函數就是為大量並大而生的。在網絡編程中比較常見。

epoll() 使用方法：

1. 創建一個 epoll 句柄：
   • 函數原型：int epoll_creat(int size);
   • size：隨便大於 0 即可。 Linux2.6.8 后便不再維護了。
   • 返回：
     • epoll 句柄。
     • -1：創建失敗。
2. 向 epoll 添加要監視的文件及監測的事件。
   • 函數原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);。
   • epfd：epoll 句柄。
   • op：操作標識。
     • EPOLL_CTL_ADD：向 epfd 添加 fd 表示的描述符。
     • EPOLL_CTL_MOD：修改 fd 的 event 時間。
     • EPOLL_CTL_DEL：從 epfd 中刪除 fd 描述符。
   • fd：要監測的文件。
   • event：要監測的事件類型。
3. 等待事件發生。
   • 函數原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);。
   • epfd：epoll 句柄。
   • events：指向 epoll_event 結構體數組。
   • maxevents：events 數組大小，必須大於 0。
   • timeout：超時時間。

epoll_event 結構體：

struct epoll_event{
    uint32_t events; /* epoll 事件 */
    epoll_data_t data; /* 用戶數據 */
}

可請求的事件 events：

宏	說明
EPOLLIN	有數據可讀
EPOLLPRI	有緊急的數據需要讀取
EPOLLOUT	可以寫數據
EPOLLERR	指定的文件描述符發生錯誤
EPOLLHUP	指定的文件描述符被掛起
EPOLLET	設置 epoll 為邊沿觸發，默認觸發模式為水平觸發
EPOLLONESHOT	一次性的監視，當監視完成后，還需要監視某個 fd，那就需要把 fd 重新添加到 epoll 中

13.5 驅動中的 poll 函數

當應用程序調用 select() 函數和 poll() 函數時，驅動程序會調用 file_operations 中的 poll。

• 函數原型：unsigned int(*poll)(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
• file：file 結構體。
• wait：輪詢表指針。主要傳給 poll_wait 函數。
• 該函數主要工作：
  • 對可能引起設備文件狀態變化的等待隊列調用 poll_wait() 函數，將對應的等待隊列頭部添加到 poll_table 中。
  • 返回表示是否能對設備進行無阻塞讀、寫訪問的掩碼。可以返回以下值：
    • POLLIN：有數據可讀。
    • POLLPRI：有緊急的數據需要讀取。
    • POLLOUT：可以寫數據。
    • POLLERR：指定的文件描述符發生錯誤。
    • POLLHUP：指定的文件描述符掛起。
    • POLLNVAL：無效的請求。
    • POLLRDNORM：等同於 POLLIN，普通數據可讀。

poll_wait()

• 函數原型：void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address, poll_table *p)
• 該函數不會阻塞進程，只是將當前進程添加到 wait 參數指定的等待列表中。
• filp：要操作的設備文件描述符。
• wait_address：要添加到 wait 輪詢表中的等待隊列頭。
• p：file_operations 中 poll 的 wait 參數。
• 建議：找個例程看看就明白了。