【转】linux设备驱动程序中的阻塞机制
原文网址:http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/04/2275272.html
阻塞与非阻塞是设备访问的两种方式。在写阻塞与非阻塞的驱动程序时,经常用到等待队列。
一、阻塞与非阻塞
阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起,函数只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞指不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前进程,而会立刻返回。
对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性,但并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式,我们可以通过一定的API去轮询状态,在适当的时候调用阻塞函数,就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象,调用的函数也可以进入阻塞调用。函数select()就是这样一个例子。
二、等待队列
在linux设备驱动程序中,阻塞进程可以使用等待队列来实现。
在内核中,等待队列是有很多用处的,尤其是在中断处理,进程同步,定时等场合,可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。它以队列为基础数据结构,与进程调度机制紧密结合,能够用于实现内核中的异步事件通知机制,同步对系统资源的访问。
1、等待队列的实现:
在linux中,等待队列的结构如下:
- struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock; //自旋锁,用来对task_list链表起保护作用,实现了对等待队列的互斥访问
struct list_head task_list; //用来存放等待的进程
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
2、等待队列的使用
(1)定义和初始化等待队列:
- wait_queue_head_t wait;//定义等待队列
init_waitqueue_head(&wait);//初始化等待队列
定义并初始化等待队列:
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
(2)添加或移除等待队列:
- void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);//将等待队列元素wait添加到等待队列头q所指向的等待队列链表中。
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
(3)等待事件:
- wait_event(wq, condition);//在等待队列中睡眠直到condition为真。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout);
wait_event_interruptible(wq, condition) ;
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) ;
/*
* queue:作为等待队列头的等待队列被唤醒
* conditon:必须满足,否则阻塞
* timeout和conditon相比,有更高优先级
*/
(4)睡眠:
- sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);
/*
sleep_on作用是把目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE,直到资源可用,q引导的等待队列被唤醒。
interruptible_sleep_on作用是一样的, 只不过它把进程状态置为TASK_INTERRUPTIBLE
*/
(5)唤醒等待队列:
- //可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程;
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)- //只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程
#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
三、操作系统中睡眠、阻塞、挂起的区别形象解释
首先这些术语都是对于线程来说的。对线程的控制就好比你控制了一个雇工为你干活。你对雇工的控制是通过编程来实现的。
挂起线程的意思就是你对主动对雇工说:“你睡觉去吧,用着你的时候我主动去叫你,然后接着干活”。
使线程睡眠的意思就是你主动对雇工说:“你睡觉去吧,某时某刻过来报到,然后接着干活”。
线程阻塞的意思就是,你突然发现,你的雇工不知道在什么时候没经过你允许,自己睡觉呢,但是你不能怪雇工,肯定你这个雇主没注意,本来你让雇工扫地,结果扫帚被偷了或被邻居家借去了,你又没让雇工继续干别的活,他就只好睡觉了。至于扫帚回来后,雇工会不会知道,会不会继续干活,你不用担心,雇工一旦发现扫帚回来了,他就会自己去干活的。因为雇工受过良好的培训。这个培训机构就是操作系统。
四、阻塞与非阻塞操作
阻塞操作是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程,直到满足可操作的条件后在进行操作。
非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时并不挂起,它或者被放弃,或者不停的查询,直到可以进行操作为止。
回顾简单字符设备驱动, 我们看到如何实现 read 和 write 方法. 在此, 但是, 我们跳过了一个重要的问题:一个驱动当它无法立刻满足请求应当如何响应? 一个对 read 的调用可能当没有数据时到来, 而以后会期待更多的数据. 或者一个进程可能试图写, 但是你的设备没有准备好接受数据, 因为你的输出缓冲满了. 调用进程往往不关心这种问题; 程序员只希望调用 read 或 write 并且使调用返回, 在必要的工作已完成后. 这样, 在这样的情形中, 你的驱动应当(缺省地)阻塞进程, 使它进入睡眠直到请求可继续。
在我们看全功能的 read 和 write 方法的实现之前, 我们触及的最后一点是决定何时使进程睡眠.
(1)阻塞型驱动中,read实现方式:如果一个进程调用 read 但是没有数据可用, 这个进程必须阻塞. 这个进程在有数据达到时被立刻唤醒, 并且那个数据被返回给调用者, 即便小于在给方法的 count 参数中请求的数量.
(2)阻塞型驱动中,write实现方式:如果一个进程调用 write 并且在缓冲中没有空间, 这个进程必须阻塞, 并且它必须在一个与用作 read 的不同的等待队列中. 当一些数据被写入硬件设备, 并且在输出缓冲中的空间变空闲, 这个进程被唤醒并且写调用成功, 尽管数据可能只被部分写入如果在缓冲只没有空间给被请求的 count 字节.
(3)有时要求一个操作不阻塞, 即便它不能完全地进行下去.应用程序元可以调用 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 标志来人为的设置读写操作为非阻塞方式. 这个标志定义于 <linux/fcntl.h>, 被 <linux/fs.h>自动包含.
五、阻塞型驱动测试程序:
1.memdev.h
- /*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
wait_queue_head_t inq;
};- #endif /* _MEMDEV_H_ */
2.memdev.c
- static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/- module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
- struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
- struct cdev cdev;
- /*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;- /*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);- if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];- /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;- return 0;
}- /*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}- /*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/- /*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;- while (!have_data) /* 没有数据可读,考虑为什么不用if,而用while,中断信号唤醒 */
{
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;- wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
}- /*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;- printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}- have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
return ret;
}- /*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/- /*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;- /*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;- printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}- have_data = true; /* 有新的数据可读 */
- /* 唤醒读进程 */
wake_up(&(dev->inq));- return ret;
}- /* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;- switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;- case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;- case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;- default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;- filp->f_pos = newpos;
return newpos;- }
- /*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};- /*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;- dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
- /* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}- if (result < 0)
return result;- /*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;- /* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);- /* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));- /*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);- /*初始化等待队列*/
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
}- return 0;
- fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);- return result;
}- /*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}- MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");- module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
3.app-write.c
- #include <stdio.h>
- int main()
{
FILE *fp = NULL;
char Buf[128];- /*打开设备文件*/
fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp == NULL)
{
printf("Open Dev memdev0 Error!\n");
return -1;
}- /*写入设备*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("Write BUF: %s\n",Buf);
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);- sleep(5);
fclose(fp);- return 0;
- }
4.app-read.c
- #include <stdio.h>
- int main()
{
FILE *fp = NULL;
char Buf[128];- /*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);- /*打开设备文件*/
fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp == NULL)
{
printf("Open memdev0 Error!\n");
return -1;
}- /*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("Read BUF1: %s\n",Buf);- /*读出数据*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);- /*检测结果*/
printf("Read BUF2: %s\n",Buf);- fclose(fp);
- return 0;
- }
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