Linux驅(qū)動技術(shù)(五) _設(shè)備阻塞/非阻塞讀寫

等待隊列是內(nèi)核中實現(xiàn)進程調(diào)度的一個十分重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其任務(wù)是維護一個鏈表，鏈表中每一個節(jié)點都是一個PCB(進程控制塊)，內(nèi)核會將PCB掛在等待隊列中的所有進程都調(diào)度為睡眠狀態(tài)，直到某個喚醒的條件發(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)動中怎么實現(xiàn)對設(shè)備IO的阻塞與非阻塞讀寫。顯然，實現(xiàn)這種與阻塞相關(guān)的機制要用到等待隊列機制。本文的內(nèi)核源碼使用的是3.14.0版本

設(shè)備阻塞IO的實現(xiàn)

當(dāng)我們讀寫設(shè)備文件的IO時，最終會回調(diào)驅(qū)動中相應(yīng)的接口，而這些接口也會出現(xiàn)在讀寫設(shè)備進程的進程(內(nèi)核)空間中，如果條件不滿足，接口函數(shù)使進程進入睡眠狀態(tài)，即使讀寫設(shè)備的用戶進程進入了睡眠，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)動在驅(qū)動中實現(xiàn)對設(shè)備文件的阻塞，其讀寫的流程可概括如下:

1. 定義-初始化等待隊列頭

//定義等待隊列頭wait_queue_head_t waitq_h;//初始化，等待隊列頭init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或//定義并初始化等待隊列頭DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(waitq_name);

上面的幾條選擇中，最后一種會直接定義并初始化一個等待頭,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 35 struct __wait_queue_head { 36 spinlock_t lock; 37 struct list_head task_list; 38 }; 39 typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

wait_queue_head_t
--36-->這個隊列用的自旋鎖
--27-->將整個隊列"串"在一起的紐帶

然后我們看一下初始化的宏:

55 #define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) { \ 56 .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock), \ 57 .task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } } 58 59 #define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \ 60 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)建一個名為name的等待隊列頭
--57-->初始化上述task_list域，竟然沒有用內(nèi)核標準的初始化宏，無語。。。

2. 將本進程添加到等待隊列

為等待隊列添加事件,即進程進入睡眠狀態(tài)直到condition為真才返回。**_interruptible的版本版本表示睡眠可中斷,_timeout**版本表示超時版本，超時就會返回，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

244 #define wait_event(wq, condition) \245 do { \246 if (condition) \247 break; \248 __wait_event(wq, condition); \ 249 } while (0)

wait_event
--246-->如果condition為真，立即返回
--248-->否則調(diào)用__wait_event

194 #define ___wait_event(wq, condition, state, exclusive, ret, cmd) \ 195 ({ \206 for (;;) { \207 long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\208 \ 209 if (condition) \ 210 break; \212 if (___wait_is_interruptible(state) && __int) { \213 __ret = __int; \214 if (exclusive) { \215 abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, \216 state, NULL); \217 goto __out; \218 } \219 break; \220 } \222 cmd; \223 } \224 finish_wait(&wq, &__wait); \225 __out: __ret; \226 })

___wait_event
--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();進程被喚醒
--212-->如果進程睡眠的方式是interruptible的，那么當(dāng)中斷來的時候也會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)用的實現(xiàn)

對于普通的非阻塞IO，我們只需要在驅(qū)動中注冊的read/write接口時不使用阻塞機制即可，這里我要討論的是IO多路復(fù)用，即當(dāng)驅(qū)動中的read/write并沒有實現(xiàn)阻塞機制的時候，我們?nèi)绾卫脙?nèi)核機制來在驅(qū)動中實現(xiàn)對IO多路復(fù)用的支持。下面這個就是我們要用的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機制的時候，內(nèi)核其實會遍歷回調(diào)相關(guān)文件的驅(qū)動中的poll接口，通過每一個驅(qū)動的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，但對于每一個驅(qū)動，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列實現(xiàn)阻塞IO，非阻塞IO，其實關(guān)于等待隊列，內(nèi)核還提供了很多其他API用以完成相關(guān)的操作，這里我們來認識一下

//在等待隊列上睡眠sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h);sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h);//喚醒等待的進程void wake_up(wait_queue_t *wqueue);void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);