阻塞IO
阻塞状态下应用程序从驱动读取函数时,若kernel回报设备不可用,应用程序对应的线程将会进入睡眠,等待设备可用后由设备通知应用程序并将其唤醒以继续执行。
Linux依靠等待队列(wait queue)来进行进程同步,其允许进程在某个条件满足前进入睡眠,并在条件满足时由驱动进行唤醒,避免CPU忙等。
等待队列
基本的等待队列包括:
- 事件(event):通常是 硬件中断、数据可用 或 资源释放 等
- 等待队列头(
wait_queue_head_t):每个等待队列都有一个队列头,用于管理在此等待的进程 - 等待队列项(
wait_queue_t):表示等待队列中的一个进程,它包含进程的状态信息
等待队列头结构体:
typedef struct __wait_queue_head { spinlock_t lock; // 保护等待队列的自旋锁 struct list_head task_list;} wait_queue_head_t;显然这是一个链表结构,task_list为所有等待某事件发生的进程链表。等待队列头维护等待该事件的所有进程,通过自旋锁来保护对task_list的访问以防止竞争条件。
等待队列项:
typedef struct wait_queue_entry { unsigned int flags; struct task_struct *task; // 进程的task_struct struct list_head entry; // 连接到等待队列} wait_queue_entry_t;等待队列项代表正在等待事件的进程,进程会被挂载至task_list,进入睡眠。
这里结构体中的task_struct是Linux的进程描述符,该结构体会管理所有的进程,这是一个非常长而且很复杂的结构体。其中有一个重要的量volatile long state,用于表示进程当前的状态,包括:
TASK_RUNNING:正在运行或准备运行TASK_INTERRUPTIBLE:处于可被中断的睡眠状态,等待某个事件发生。此过程下进程可被信号唤醒TASK_UNINTERRUPTIBLE:处于不可被中断的睡眠状态,等待某个事件发生。此过程下进程不可被信号唤醒,只能等待事件发生TASK_STOPPED:进程停止执行TASK_TRACED:进程正在被调试器追踪TASK_DEAD:进程已终止,等待被释放TASK_WAKEKILL:进程处于可被杀死的睡眠状态,即使在不可中断的睡眠中,也能被特定信号唤醒或终止TASK_WAKING:进程正在从睡眠状态中被唤醒,尚未进入可运行队列TASK_NOLOAD:进程不应影响负载计算,通常用于内核线程
对于等待队列,前三种状态比较常见。
等待队列的使用方式
- 定义和初始化等待队列头
struct xxx_dev { ....... wait_queue_head_t r_wait;}- 设定等待条件和事件(以按键为例)
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); /* 创建等待队列 */ if (atomic_read(&dev->releasekey) == 0){ /* 如果按键未按下 */ add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /* 添加当前线程至等待队列 */ __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* 切换进程模式至可中断睡眠状态 */ schedule(); /* 让出CPU,等待被唤醒 */ if (signal_pending(current)){ /* 如果有信号打断睡眠,退出 */ ret = -ERESTARTSYS; goto wait_error; } __set_current_state(TASK_RUNNING); /* 进程恢复运行 */ remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /* 从等待队列中移除当前线程 */ }其中:
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk):用于创建等待队列,name为队列名称,tsk为队列所对应的进程,一般使用current,表示当前线程add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait):q为等待队列要加入的等待队列头,wait为要加入的等待队列项
- 设定唤醒条件(以按键为例)
/* 唤醒进程 */ if(atomic_read(&dev->releasekey)){ /* 完成一次按键过程 */ wake_up_interruptible(&dev->r_wait); }此处可选wake_up()和wake_up_interruptible():
wake_up()会唤醒所有在r_wait所属队列中等待的进程wake_up_interruptible仅唤醒一个处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程
唤醒后,进程将在被调度器选择后从schedule()位置开始继续执行。
“信号”
上节提到在wake_up_interruptible()下睡眠中的进程会被信号唤醒。信号是Linux的异步进程间通信机制,用于通知进程发生了某种事件,比如用户按下 Ctrl + C 终止进程,或者进程试图访问非法内存地址导致段错误(SIGSEGV)。
| 信号编号 | 信号名称 | 描述 | 默认处理方式 |
|---|---|---|---|
1 | SIGHUP | 终端挂起(用户退出 shell) | 终止 |
2 | SIGINT | 用户终止进程(Ctrl + C) | 终止 |
9 | SIGKILL | 立即终止进程(不能被捕获或忽略) | 终止 |
11 | SIGSEGV | 段错误(非法访问内存) | 终止 |
15 | SIGTERM | 终止进程(默认 kill 发送) | 终止 |
17 | SIGCHLD | 子进程结束 | 忽略 |
如果处于TASK_INTERRUPTIBLE状态下的进程接收到信号,其会提前返回并唤醒睡眠中的进程。在睡眠状态被信号中断的进程通常会检查是否有信号需要处理,如果有,则提前返回,避免无限等待。
非阻塞IO
非阻塞模式下若设备不可用或数据未准备好时,设备会向kernel返回错误码。应用程序会重新读取数据(或执行其他操作),如此循环,直到数据读取成功。
非阻塞模式下读取数据时,需要修改打开文件的方式:
fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK);O_NONBLOCK表示使用非阻塞模式。
轮询
Select
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)nfds:监视的文件描述符的数量。它是所有文件描述符中最大值加 1。即,nfds = max(fd1, fd2, …, fdN) + 1。readfds:待检测是否可读的文件描述符集合。用 FD_SET() 宏添加文件描述符,FD_ZERO() 初始化为空。writefds:待检测是否可写的文件描述符集合exceptfds:待检测是否发生异常的文件描述符集合timeout:指定等待时间的结构体。如果为 NULL,则会一直等待直到有事件发生;如果为零(timeout = {0, 0}),则非阻塞地返回- 返回值:可操作文件描述符个数
readfds、writefds和exceptfds都为fd_set类型,指向描述符集合,用于指明关心哪些描述符,以及描述符需要满足的条件。readfds负责监视指定描述符集的读变化,即监视这些文件是否可读取,只要这些集合中有一个文件可以被读取,select就会返回大于0的值表示文件可读取。若没有文件可读取,则根据timeout判断是否超时。readfds可以设置为NULL,表示不关心文件的可读性变化。writefds和exceptfds的用法也类似。
如果要从一个设备文件中读取数据,可以定义一个fd_set变量,用于传递给readfds。fd_set可以通过这几个宏进行操作:
void FD_ZERO(fd_set *set) /* 清零fd_set的所有位 */void FD_SET(int fd, fd_set *set) /* 将fd_set某个位置1 */void FD_CLR(int fd, fd_set *set) /* 将fd_set某个位置0(删除某个文件描述符) */int FD_ISSET(int fd, fd_set *set) /* 测试一个文件是否属于某个集合 */使用select对某个设备驱动文件进行非阻塞访问的示例:
void main(void){ int ret, fd; //要监视的文件描述符 fd_set readfds; //读操作文件描述符集 struct timeval timeout; //超时结构体
fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); //非阻塞访问
FD_ZERO(&readfds); //清除readfs FD_SET(fd, &readfds); //将fd添加至readfds
timeout.tv_sec = 0 timeout.tv_usec = 500000;
ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout); //仅监测文件是否可读 switch (ret) { case 0: //超时 printf("timeout\r\n"); break; case -1: //错误 printf("error\r\n"); break; default: //可读取数据 if (FD_ISSET(fd, &readfds)){ //判断是否为fd文件描述符 //用read函数读取数据 } break; }}poll
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)fds:待监视的文件描述符集合以及要监视的事件,数组元素为pollfd类型:
struct pollfd { int fd; //文件描述符 short events; //请求的事件 short revents; //返回的事件}events为待监视事件,包含:
POLLIN 有数据可以读取。POLLPRI 有紧急的数据需要读取。POLLOUT 可以写数据。POLLERR 指定的文件描述符发生错误。POLLHUP 指定的文件描述符挂起。POLLNVAL 无效的请求。POLLRDNORM 等同于 POLLINnfds:poll函数要监视的文件描述符数量
timeout:超时时间
poll函数使用示例:
void main(void){ int ret, fd; //要监视的文件描述符 struct pollfd fds;
fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); //非阻塞访问
fds.fd = fd; fds.event = POLLIN; //监视文件是否可以读取
ret = poll(&fds, 1, 500); //轮询文件是否可操作,超时时间500ms if (ret){ //可读取 ... }else if (ret == 0){ //超时 ... }else if (ret < 0){ //错误 ... }}驱动程序:
unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait){ unsigned int mask = 0; struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); //挂载驱动至等待队列
if (atomic_read(&dev->releasekey)){ mask = POLLIN | POLLRDNORM; //返回,告知有数据可读 }
return mask;}
static struct file_operations imx6uirq_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = imx6uirq_open, .read = imx6uirq_read, .poll = imx6uirq_poll, //绑定poll至fops};epoll
epoll主要解决大并发问题,用于解决传统的select和poll会随着监听fd数量增加而出现效率低下的问题。
使用epoll前应用程序要先用epoll_create创建一个epoll句柄:
int epoll_create(int size)
return:epoll句柄,-1表示创建失败句柄创建完成后,用epoll_ctl向其中要监视的文件描述符以及监视的事件:
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
epfd:要操作的 epoll 句柄
op:表示要对 epfd(epoll 句柄)进行的操作,可以设置为:EPOLL_CTL_ADD 向 epfd 添加文件参数 fd 表示的描述符。EPOLL_CTL_MOD 修改参数 fd 的 event 事件。EPOLL_CTL_DEL 从 epfd 中删除 fd 描述符。
fd:要监视的文件描述符。
event:要监视的事件类型,为 epoll_event 结构体类型指针:
struct epoll_event { uint32_t events; /* epoll 事件 */ epoll_data_t data; /* 用户数据 */};
events表示要监视的事件,可选:EPOLLIN 有数据可以读取。EPOLLOUT 可以写数据。EPOLLPRI 有紧急的数据需要读取。EPOLLERR 指定的文件描述符发生错误。EPOLLHUP 指定的文件描述符挂起。EPOLLET 设置 epoll 为边沿触发,默认触发模式为水平触发。EPOLLONESHOT 一次性的监视,当监视完成以后还需要再次监视某个 fd,那么就需要将fd 重新添加到 epoll 里面。设置完成后,调用epoll_wait()等待事件发生:
int epoll_wait(int epfd, //要等待的poll struct epoll_event *events, //指向epoll_event结构体的数组 int maxevents, //events数组大小 int timeout) //超时时间,ms异步通知
异步通知通过信号用类似于软中断的方式,由驱动程序自行通知应用程序令其响应。Linux的信号类型在arch/xtebsa/include/uapi/asm/signal/h中定义。
信号同样有回调函数(接收到信号后要执行的内容):
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)signum:信号类别handler:信号处理函数
驱动处理信号
- 定义一个
fasync_struct类型的结构体指针:
struct fasync_struct { dev_t devid; ...... struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体 */}- 初始化结构体指针:
int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int on, struct fasync_struct **fapp)-
新建
xxx_fasync回调函数以处理FASYNC标志,并绑定至fops -
满足信号发送条件时,调用
kill_fasync向应用程序发送信号:
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)sig:待发送信号类型band:可读时为POLL_IN,可写时为POLL_OUT
- 驱动文件关闭时释放
fasync_struct:
xxx_fasync(-1 ,filp, 0);xxx_fasync参考示例:
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on){ struct xxx_dev *dev = (struct xxx_dev *)filp->private_data;
if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0) return -EIO; return 0;}
/* 满足条件时 */void xxx(){ .... kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); /* 向应用程序发送SIGIO(表示文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作)信号 */}应用程序处理信号
应用程序首先绑定处理函数至某个特定的信号量,然后调用fcntl(操作文件描述符的属性)进行初始化:
int fcntl (int __fd, int __cmd, ...); fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); /* 通知kernel当前进程的进程号 */-F_SETOWN:设置fd的所有者,此处为当前进程(getpid()返回当前进程的ID)
flags = fcntl(fd, F_GETFD); /* 获取进程状态 */ fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 为进程启用异步通知功能 */F_GETFD:获取当前fd的标志位,返回整型值,描述fd属性信息(如文件描述符是否关闭,是否是异步 I/O 等)F_SETFL:设置fd的文件状态标志flags | FASYNC:将FASYNC标志添加进入现有的文件描述符标志,启用文件描述符的异步IO功能。
完整过程:
static int fd = 0; /* 文件描述符 */
/* 信号处理函数 */static void sigio_signal_func(int signum){ int err = 0; unsigned int keyvalue = 0;
err = read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue)); if (err < 0){ printf("sigio error\r\n"); }else{ printf("sigio signal, key value = %d\r\n", keyvalue); }}
int main(int argc, char *argv[]){ .......
/* 绑定信号处理函数至SIGIO信号 */ signal(SIGIO, sigio_signal_func);
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); /* 通知kernel当前进程的进程号 */ flags = fcntl(fd, F_GETFD); /* 获取进程状态 */ fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 为进程启用异步通知功能 */
while (1){ sleep(2); }
close(fd); return 0;}