七、设备驱动中的阻塞与非阻塞 IO(一)
7.1 阻塞与非阻塞 IO
阻塞操作是指在执行设备操作的时候,若不能获取资源,则挂起进程直到满足可操作的条件后再进行操作。被挂起的进程进入睡眠状态,被从调度器的运行队列移走,直到等待的条件被满足。
非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时,并不挂起,要么放弃,要么不停的查询,直到可以进行操作为止。
驱动程序应提供这样的能力:当应用程序进行 read()、write()等系统调用时,若设备的资源不能获取,而用户又希望以阻塞的方式访问设备,驱动程序应在设备驱动的 xxx_write()、xxx_read()等操作中将进程阻塞直到资源可取,此后,应用程序的 read()、write() 等调用才返回,整个过程仍然进行了正确的设备访问,但用户无感知;若用户以非阻塞的方式访问设备文件,则当设备资源不可获取时,设备驱动的 xxx_write()、xxx_read() 等操作应立即返回, read()、write() 等调用也随即返回,应用程序收到 -EAGAIN 的返回值。
7.1.1 等待队列
在 Linux 驱动中,可使用等待队列(wait queue)来实现阻塞进程的唤醒。等待队列以队列为基础数据结构,与进程调度机制紧密结合,可以用来同步对系统资源的访问。
/**
* 等待队列头数据结构
* 定义等待队列头:
* wait_queue_head_t my_queue;
*/
struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock;
struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
/**
* 初始化等待队列头部
*/
extern void __init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q, const char *name, struct lock_class_key *); #define init_waitqueue_head(q) \
do { \
static struct lock_class_key __key; \
\
__init_waitqueue_head((q), #q, &__key); \
} while ()
/** 定义并初始化等待队列头部 */
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
/** 定义等待队列元素,用于定义并初始化一个名为 name 的等待队列元素 */
#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) \
wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)
/** 添加等待队列:将等待队列元素 wait 添加到等待队列头部 q 指向的双向链表中 */
extern void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
/** 删除等待队列:将等待队列元素 wait 从由等待队列头部 q 指向的链表中删除 */
extern void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
/**
* 等待事件
* wq:作为等待队列头部的队列被唤醒
* condition:此参数必须满足,否则继续阻塞
* wait_event 和 wait_event_interruptible 区别是后者可以被信号打断,而前者不能
* 加上 _timeout 后表示阻塞等待的超时时间,以 jiffy 为但闻,在第三个参数的 timeout 到达时,不论 condition 是否满足,均返回
*/
wait_event(wq, condition);
wait_event_interruptible(wq, condition);
wait_event_timeout(wq, condition, timeout);
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout);
/**
* 唤醒队列
* 唤醒以 q 作为等待队列头部的队列中的所有进程
* wake_up 与 wait_event 或 wait_event_timeout 成对使用
* wake_up_interruptible 与 wait_event_interruptible 或 wait_event_interruptible_timeout 成对使用
* wake_up 可唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的进程
* wake_up_interruptible 只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 的进程
*/
void wake_up(wait_queue_head_t *q);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q);
7.1.2 globalmem 增加队列操作
增加约束:把 globalmem 中的全局内存变为一个 FIFO,只有当 FIFO 有数据的时候(即有进程把数据写到这个 FIFO 而且没有没有被读进程读空),读进程才能把数据读出,而且读取后的数据会从 globalmem 的全局内存中被拿掉;只有当 FIFO 不是满的时候(即还有一些空间未被写,或写满后被读进程从这个 FIFO 中读出了数据),写进程才能往这个 FIFO 中写数据。
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched/signal.h> ///< 内核>5.0 使用
//#include <linux/sched.h> #define GLOBALFIFO_SIZE 0x1000
//#define MEM_CLEAR 0X1
#define GLOBALFIFO_MAGIC 'g'
#define MEM_CLEAR _IO(GLOBALFIFO_MAGIC, 0)
#define GLOBALFIFO_MAJOR 230
#define DEVICE_NUMBER 10 static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
module_param(globalfifo_major, int, S_IRUGO); struct globalfifo_dev {
struct cdev cdev;
/**
* 目前 FIFO 中有效数据长度
* current_len = 0, 表示 FIFO 为空
* current_len = GLOBALFIFO_SIZE, 表示 FIFO 满
*/
unsigned int current_len;
unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE];
struct mutex mutex;
wait_queue_head_t r_wait; ///< 读等待队列头
wait_queue_head_t w_wait; ///< 写等待队列头
}; struct globalfifo_dev *globalfifo_devp; /**
* 这里涉及到私有数据的定义,大多数遵循将文件私有数据 pirvate_data 指向设备结构体,
* 再用 read write llseek ioctl 等函数通过 private_data 访问设备结构体。
* 对于此驱动而言,私有数据的设置是在 open 函数中完成的
*/
static int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/**
* NOTA:
* container_of 的作用是通过结构体成员的指针找到对应结构体的指针。
* 第一个参数是结构体成员的指针
* 第二个参数是整个结构体的类型
* 第三个参数为传入的第一个参数(即结构体成员)的类型
* container_of 返回值为整个结构体指针
*/
struct globalfifo_dev *dev = container_of(inode->i_cdev, struct globalfifo_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
return ;
} static int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return ;
} static long globalfifo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; switch(cmd){
case MEM_CLEAR:
mutex_lock(&dev->mutex);
memset(dev->mem, , GLOBALFIFO_SIZE);
printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero\n");
mutex_unlock(&dev->mutex);
break;
default:
return -EINVAL;
} return ;
} static loff_t globalfifo_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
loff_t ret = ;
switch(orig) {
case : /** 从文件开头位置 seek */
if(offset < ){
ret = -EINVAL;
break;
}
if((unsigned int)offset > GLOBALFIFO_SIZE){
ret = -EINVAL;
break;
}
filp->f_pos = (unsigned int)offset;
ret = filp->f_pos;
break;
case : /** 从文件当前位置开始 seek */
if((filp->f_pos + offset) > GLOBALFIFO_SIZE){
ret = -EINVAL;
break;
}
if((filp->f_pos + offset) < ){
ret = -EINVAL;
break;
}
filp->f_pos += offset;
ret = filp->f_pos;
break;
default:
ret = -EINVAL;
break;
} return ret;
} static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned int count = size;
int ret = ;
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); ///< 将当前进程加入到 wait 等待队列
mutex_lock(&dev->mutex);
add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); ///< 添加等待队列元到读队列头中 /** 判断设备是否可写 */
while(dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE){
/** 若是非阻塞访问, 设备忙时, 直接返回 -EAGAIN */
if(filp->f_flags & O_NONBLOCK) {
ret = -EAGAIN;
goto out;
} __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); ///<改变进程状态为睡眠
schedule();
if(signal_pending(current)){ ///< 因为信号而唤醒
ret = -ERESTARTSYS;
goto out2;
}
} if(count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len)
count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len; if(copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)){
ret = -EFAULT;
goto out;
} else {
dev->current_len += count;
printk(KERN_INFO "written %u bytes(s), current len:%d\n", count, dev->current_len); wake_up_interruptible(&dev->r_wait); ///< 唤醒读等待队列
ret = count;
}
out:
mutex_unlock(&dev->mutex);
out2:
remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); ///< 移除等待队列
set_current_state(TASK_RUNNING);
return ret;
} /**
* *ppos 是要读的位置相对于文件开头的偏移,如果该偏移大于或等于 GLOBALFIFO_SIZE,意味着已经独到文件末尾
*/
static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned int count = size;
int ret = ;
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); ///< 将当前进程加入到 wait 等待队列
mutex_lock(&dev->mutex);
add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); ///< 添加等待队列元到读队列头中 /** 等待 FIFO 非空,即判断设备是否可读 */
while(dev->current_len == ) {
/** 若是非阻塞访问, 设备忙时, 直接返回 -EAGAIN */
/** filp->f_flags 是用户空间 */
if(filp->f_flags & O_NONBLOCK) {
ret = -EAGAIN;
goto out;
} /**
* 阻塞访问,调度其他进程执行
* FIFO 为空的情况下,读进程阻塞,必须依赖写进程往 FIFO 里面写东西唤醒它;
* 但写的进程为了 FIFO,它必须拿到这个互斥体来访问 FIFO 这个临界资源;
* 如果读进程把自己调度出去之前不释放这个互斥体,那么读写进程之间就死锁了
*/
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); ///<改变进程状态为睡眠
mutex_unlock(&dev->mutex);
schedule();
if(signal_pending(current)){ ///< 因为信号而唤醒
ret = -ERESTARTSYS;
goto out2;
} mutex_lock(&dev->mutex);
} /** 要读取的字节数大于设备文件中的有效数据长度 */
if(count > dev->current_len)
count = dev->current_len; /** 从用户空间拷贝数据 */
if(copy_to_user(buf, dev->mem, count)) {
ret = -EFAULT;
goto out;
} else {
/** FIFO 中数据前移 */
memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count);
dev->current_len -= count; ///< 有效数据长度减少
printk(KERN_INFO "read %u bytes(s), current_len: %d\n", count, dev->current_len); wake_up_interruptible(&dev->w_wait); ///< 唤醒写等待队列 ret = count;
}
out:
mutex_unlock(&dev->mutex);
out2:
remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); ///< 移除等待队列
set_current_state(TASK_RUNNING);
return ret;
} static const struct file_operations globalfifo_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = globalfifo_llseek,
.read = globalfifo_read,
.write = globalfifo_write,
.unlocked_ioctl = globalfifo_ioctl,
.open = globalfifo_open,
.release = globalfifo_release,
}; /**
* @brief globalfifo_setup_cdev
*
* @param dev
* @param index 次设备号
*/
static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
{
int err;
int devno = MKDEV(globalfifo_major, index); /** 使用 cdev_init 即是静态初始化了 cdev */
cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE; /** 设备编号范围设置为1,表示我们只申请了一个设备 */
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, );
if(err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalfifo%d\n", err, index);
} static int __init globalfifo_init(void)
{
int ret;
int i;
dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, ); if(globalfifo_major)
ret = register_chrdev_region(devno, DEVICE_NUMBER, "globalfifo");
else {
ret = alloc_chrdev_region(&devno, , DEVICE_NUMBER, "globalfifo");
globalfifo_major = MAJOR(devno);
} if(ret < )
return ret; globalfifo_devp = kzalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
if(!globalfifo_devp){
ret = -ENOMEM;
goto fail_malloc;
} for(i = ; i < DEVICE_NUMBER; i++){
globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp + i, i);
} mutex_init(&globalfifo_devp->mutex); /** 初始化读写等待队列 */
init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait);
init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait); fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, );
return ret;
} static void __exit globalfifo_exit(void)
{
int i;
for(i = ; i < DEVICE_NUMBER; i++) {
cdev_del(&(globalfifo_devp + i)->cdev);
}
kfree(globalfifo_devp);
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, ), );
} module_init(globalfifo_init);
module_exit(globalfifo_exit);
编译验证:
插入模块:insmod globalfifo.ko
创建设备节点:mknod /dev/globalfifo c 230 0
启动两个进程:
- 读进程,在后台运行:cat /dev/globalfifo &
- 写进程,在前台运行:echo 'hello world' > /dev/globalfifo
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