利用select/poll监听多个设备详解

如果一个应用程序去处理多个设备，例如应用程序读取网路数据，按键，串口，一般能想到的有三种方法：

方法1：
串行+阻塞的方式读取：
while(1) { 
read(标准输入);
read(网络);
}
缺点：每当阻塞读取标准输入时，如果用户不进行标准输入的操作，而此时客户端给服务器发送数据，导致服务器无法读取客户端发送来的数据！

方法2：
采用多线程或者多进程机制来实现读取：
开辟多个线程，每一个线程处理一个设备，不会导致的数据的无法读取，但是系统的开销相比方法1要大！

方案3：采用linux系统提供的高级IO的处理机制
select/poll:两者一样，主进程能够利用select或者poll能够对多个设备进行监听！

其原理好像：方法1相当于有一个保安，看十户房子，如果小偷进来从第十户开始偷，保安却从第一户挨个检查，没有小偷确还在第一家等着。
            方法2相当于雇了十个保安，开销大
      方法3相当于买了10套监控设备，一个保安看监控录像，有情况报警

************************************************************************************

select函数原型：
int select(int nfds, 
fd_set *readfds, 
fd_set *writefds,
        fd_set *exceptfds, 
struct timeval *timeout);
函数功能：
主进程利用此函数能够对多个设备进行监听，一旦发现监听的设备都不可用（不可读、也不可写、也没有异常），那么主进程进入休眠状态，一旦监听的设备中，只要有一个设备可用（可读或者可写或者有异常）都会唤醒休眠的主进程，select也就会返回。

注意这个函数仅仅起到一个监听的功能，数据的后续处理，例如读写都是通过read,write,ioctl来进行！

参数说明：
nfds:
对设备的访问永远先open获取fd；
监听的设备中，最大的文件描述符fd+1;
数据类型fd_set:文件描述符集合,用来保存描述监听的设备，里面存放是被监听设备的文件描述符；如果select要监听某一个设备，必须把这个设备的fd添加到对应的文件描述符集合中！

readfds:读文件描述符集合指针，如果select要监听设备是否可读，需将设备的fd添加到这个集合中！

writefds:写文件描述符集合指针，如果select要监听设备是否可写，需将设备的fd添加到这个集合中！

exceptfds:异常文件描述符集合指针，如果select要监听设备是否有异常，需将设备的fd添加到这个集合中！

注意：一个设备的fd可以同时添加到三个集合中！

timeout：指定监听的超时时间，如果此参数指定了一个时间，例如5秒钟，select发现设备不可用，主进程进入休眠状态，如果5秒之内设备还不可用，5秒到期，主进程主动唤醒；如果此参数指定为NULL，休眠为永久休眠！

返回值：有三种
如果等于0：表明是超时；
如果小于0：表明系统出错；
如果大于0：表明设备可用（至少是一个设备，或者全部）；

文件描述符集合操作的方法：
fd_set rfds; //定义读文件描述符集合

//从集合中解除对fd设备的监听
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

//判断是否是设备fd引起的主进程的唤醒，如果是返回true，否则返回false
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

//添加一个新的被监听的设备
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

//清空文件描述符集合
void FD_ZERO(fd_set *set);

注意：如果要重复监听，需要再次清空集合和添加监听设备！

***********************************************************************************

以上是应用程序层面上的函数调用

其在内核层面上：

在sys_select中做休眠，poll不引起休眠
select系统调用过程：
1.应用程序调用select，首先调用C库的select函数实现；

2.C库的select保存select系统调用号到R7寄存器中，调用SVC（新的
）或者SWI（老的）触发软中断，至此由用户空间陷入内核空间，ARM
的工作模式由用户模式转变为SVC管理模式；

3.跳转到内核准备好的异常向量表的入口地址，根据R7保存的系统调
用号，以它为索引在系统调用表中找到对应的实现函数sys_select

4.sys_select要完成：
   1.把被监听的设备对应驱动程序的poll函数挨个调用一遍，
被监听的设备都不可用时，它们的驱动的poll函数都返回0；
   2.判断是否是驱动主动唤醒，还是超时唤醒，还是接收到信号唤醒；
   3.如果即没有驱动主动唤醒，也没有超时唤醒，没有接收到信号，
sys_select调用poll_schedule_timeout主动让进程进入休眠；
   4.假设被监听的设备中，有一个设备可用（可读或者可写或者异常
，硬件通过中断来判断），都会唤醒休眠的主进程；
   5.sys_select的poll_schedule_timeout函数返回，不再休眠
   6.再次把被监听的设备驱动的poll函数挨个调用一遍，此时可用
的设备对应的驱动poll函数会返回非0；
   7.if (ret || time_out || ...) //ret = 1,立即返回到用户空
间，返回值为ret值

总结：
1.明确本来应该底层驱动的poll函数利用等待队列机制让进程休眠，
但是等待队列休眠9步骤并不都是驱动的poll来编写，有一部分是有内
核sys_select来实现；

2.驱动poll函数完成如下内容即可：
     1.调用poll_wait，将当前进程添加到驱动定义的等待队列头中
     2.根据设备是否可用，决定返回0还是非0

3.明确：监听机制,底层poll函数不是必须的，如果要监听设备还可
以使用多线程机制也能够完成监听；但是如果要使用select/poll监
听设备，驱动必须有poll实现！

下图是sys_select的简单实现：

通过对内核代码的分析，真正的休眠实现是在内核中实现的

poll_schedule_timeout函数中的schedule_hrtimeout_range中的schedule_hrtimeout_range_clock函数实现的

并不是在poll函数中实现的

poll（轮询）操作在应用程序中用于同时阻塞在多个文件上，当其中任何一个文件有应用程序所等待的事件（可读、可写、出错等）时，poll返回相应的掩码通知应用程序，使得应用程序知道应该对哪个文件做何种操作。按照我的理解，poll的本质可以这样解释：休眠等待多个指定文件中的任何一个发生特定的事件，并将被该文件唤醒；醒来后轮询所有相关文件（通过再次调用所有文件对应驱动的poll方法），获取所有被监控文件的事件信息返回给应用程序。

从这里就可以看出：

（1）其中等待队列的使用是必不可少的。实际上调用poll的进程将会休眠在多个等待队列（一般所有被监控文件的都有至少一个的等待队列）上，从其中任何一个队列上唤醒该进程，都可能使poll函数返回。

（2）驱动中的poll方法不实现休眠，而是：

1. i、把当前进程添加到相应的等待队列中（仅在休眠时执行，唤醒时不会执行此功能）。
2. ii、返回文件当前的状态掩码（告知是否有事件发生，休眠和唤醒都会执行）。

通过对内核源码、《深入Linux设备驱动程序内核机制》的学习，我对Poll系统调用和内核驱动的poll方法的关系和结构有了整体且深入的了解，基本搞清了poll系统调用的执行脉络。对于poll系统调用的内核原理，请大家先看《深入Linux设备驱动程序内核机制》那本书写的比较详细了，我不废话了。以后我会把我自己觉得需要注意的地方写出来。这里我把这个关系和数据结构图绘制了出来，请大家指正：

对于等待队列的情况，我用下面一个例子和图来示意一下：

例如有3个进程：

task-1：使用poll检测文件1~3

task-2：使用poll检测文件2~3

task-3：使用poll检测文件3

则等待队列的情况如下：

 

 

之后，假设task-2由于文件2或3被唤醒，且task-1/3对此不感兴趣（未设置该掩码），那么等待队列的情况如下：

 

 

 

    等待队列入口项的添加和删除主要是由poll_initwait(&table);和poll_freewait(&table);完成。

    poll_initwait(&table);完成初始化struct poll_wqueues table的工作，而poll_freewait(&table);负责清理这个结构体。这里需要注意的是等待队列中的wait_queue_t并不是在唤醒函数pollwake从队列中删除的，而是最后由poll_freewait(&table);集中处理的。而唤醒函数和普通的wait_event的唤醒函数有很大不同，请大家对比上面的图和之前我写的《对Linux系统休眠的理解》中的图。