linux设备驱动中的I/O

System linux,驱动

阻塞于非阻塞I/O
1. 等待队列
轮询操作

阻塞于非阻塞I/O

阻塞I/O与非阻塞I/O是两种I/O访存的方式，一种当I/O资源不可用时，会阻塞进程执行，并放弃CPU资源；另一种当I/O资源不可用时会直接返回一个失败值。对这两种I/O方式都有其各自不同的应用场景，相对于非阻塞I/O来说，阻塞I/O在内核中的实现更为复杂。

阻塞I/O的实现依赖于等待队列机制，等待队列机制也是信号量机制实现的基础，它可以让依赖某事件的阻塞进程睡眠等待，直到适当的时机被唤醒。

等待队列

linux提供了等待队列的实现及接口：

wait_queue_head_t wq;

//定义并初始化头部
init_waitqueue_head(&wq);
//DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) 

//定义等待队列元素
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk）

//添加/移除等待队列
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

//等待事件
wait_event(queue, condition)
wait_event_interruptible(queue, condition)
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)

//唤醒队列
void wake_up(wait_queue_head_t *q);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q);

//在等待队列上睡眠
sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);

如下为等待队列使用的一个示例：

static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    ...
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
    add_wait_queue(&xxx_wait, &wait);
 
    /* 等待设备缓冲区可写 */
    do {
        avail = device_writable(...);
        if (avail < 0) {
            if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
                ret = -EAGAIN;
                goto out;
            }
            __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
            schedule();
            if (signal_pending(current)) {
                ret = -ERESTARTSYS;
                goto out;
            }
        }
    } while (avail < 0);
 
    /* 写设备缓冲 */
    device_write(...);
    out:
    remove_wait_queue(&xxx_wait, &wait);
    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return ret;
}

阻塞与非阻塞I/O的实现与进程状态密切相关，因此在做相应开发时，需要深刻理解进程状态的切换。同时通过下图可以了解进程与等待队列之间的关系。

$wait\_queue\_head\_t、wait\_queue与task\_struct之间的关系$

轮询操作

一般I/O操作能够满足我们通常的需求，但随着计算机技术和市场需求的发展，特别是高并发网络服务器的需求，对于I/O操作的多路复用问题成为一个不得不考虑的问题。在这样的背景下，select、poll、epoll等这样的事件模型应运而生。

linux中提供了select,poll这样的系统调用，使得对多个设备进行无阻塞的访问变得更加方便，效率也更高。这为用户空间的I/O编程提供了更统一的策略。但这一切都是建立在内核的相应实现上的。

我们要对一个设备进行select、poll的操作，需要在相应设备驱动中实现如下接口：

1	unsigned int (poll)(struct file filp, struct poll_table *wait);

其中filp是相应的文件指针，而wait则是轮询表指针。可以使用poll_wait接口将可能引起设备状态变化的等待队列头部添加到轮询表中。其定义如下：

1	void poll_wait(struct file filp, wait_queue_head_t queue, struct poll_table *wait);

而实现的poll接口返回值则为设备资源的可获取状态，如POLLIN、POLLOUT、POLLPRI、POLLERR、POLLNVAL的‘或’结果。

因此驱动中应实现的poll接口应如下所示:

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, struct poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
 
    ...
    poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);
    poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);
 
    if (...) {
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    }
 
    if (...) {
        mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
    }
    ...
    return mask;
}

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