Linux驱动技术(五) _设备阻塞/非阻塞读写-51CTO.COM

[[184472]]

等待队列是内核中实现进程调度的一个十分重要的数据结构，其任务是维护一个链表，链表中每一个节点都是一个PCB(进程控制块)，内核会将PCB挂在等待队列中的所有进程都调度为睡眠状态，直到某个唤醒的条件发生。应用层的阻塞IO与非阻塞IO的使用我已经在Linux I/O多路复用一文中讨论过了，本文主要讨论驱动中怎么实现对设备IO的阻塞与非阻塞读写。显然，实现这种与阻塞相关的机制要用到等待队列机制。本文的内核源码使用的是3.14.0版本

设备阻塞IO的实现

当我们读写设备文件的IO时，最终会回调驱动中相应的接口，而这些接口也会出现在读写设备进程的进程(内核)空间中，如果条件不满足，接口函数使进程进入睡眠状态，即使读写设备的用户进程进入了睡眠，也就是我们常说的发生了阻塞。In a word，读写设备文件阻塞的本质是驱动在驱动中实现对设备文件的阻塞，其读写的流程可概括如下:

1. 定义-初始化等待队列头

//定义等待队列头 
 
wait_queue_head_t waitq_h;//初始化，等待队列头 
 
init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或//定义并初始化等待队列头 
 
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(waitq_name); 
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

上面的几条选择中，***一种会直接定义并初始化一个等待头,但是如果在模块内使用全局变量传参，用着并不方便，具体用哪种看需求。

我们可以追一下源码，看一下上面这几行都干了什么：

//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; 
1.
2.
3.
4.
5.
6.

wait_queue_head_t

--36-->这个队列用的自旋锁

--27-->将整个队列"串"在一起的纽带

然后我们看一下初始化的宏:

#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) 
1.
2.
3.
4.
5.
6.

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()

--60-->根据传入的字符串name，创建一个名为name的等待队列头

--57-->初始化上述task_list域，竟然没有用内核标准的初始化宏，无语。。。

2. 将本进程添加到等待队列

为等待队列添加事件,即进程进入睡眠状态直到condition为真才返回。**_interruptible的版本版本表示睡眠可中断,_timeout**版本表示超时版本，超时就会返回，这种命名规范在内核API中随处可见。

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); 
1.
2.
3.
4.

这可是等待队列的核心，我们来看一下

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) 
1.
2.
3.
4.
5.
6.

wait_event

--246-->如果condition为真，立即返回

--248-->否则调用__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;                                               \ 
 }) 
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.

--206-->死循环的轮询

--209-->如果条件为真，跳出循环，执行finish_wait();进程被唤醒

--212-->如果进程睡眠的方式是interruptible的，那么当中断来的时候也会abort_exclusive_wait被唤醒

--222-->如果上面两条都不满足，就会回调传入的schedule()，即继续睡眠

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)    //条件可以在中断处理函数中置位 
        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); 
} 
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.

IO多路复用的实现

对于普通的非阻塞IO，我们只需要在驱动中注册的read/write接口时不使用阻塞机制即可，这里我要讨论的是IO多路复用，即当驱动中的read/write并没有实现阻塞机制的时候，我们如何利用内核机制来在驱动中实现对IO多路复用的支持。下面这个就是我们要用的API

int poll(struct file *filep, poll_table *wait);void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)   
1.

当应用层调用select/poll/epoll机制的时候，内核其实会遍历回调相关文件的驱动中的poll接口，通过每一个驱动的poll接口的返回值，来判断该文件IO是否有相应的事件发生，我们知道，这三种IO多路复用的机制的核心区别在于内核中管理监视文件的方式，分别是位，数组，链表，但对于每一个驱动，回调的接口都是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); 
} 
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

其他API

刚才我们讨论了如何使用等待队列实现阻塞IO，非阻塞IO，其实关于等待队列，内核还提供了很多其他API用以完成相关的操作，这里我们来认识一下

//在等待队列上睡眠
sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h); 
sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h);//唤醒等待的进程 
 
void wake_up(wait_queue_t *wqueue); 
void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue); 
1.
2.
3.
4.
5.
6.