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。
1 /** 2 * 等待队列头数据结构 3 * 定义等待队列头： 4 * wait_queue_head_t my_queue; 5 */ 6 struct __wait_queue_head { 7 spinlock_t lock; 8 struct list_head task_list; 9 }; 10 typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
1 /** 2 * 初始化等待队列头部 3 */ 4 extern void __init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q, const char *name, struct lock_class_key *); 5 6 #define init_waitqueue_head(q) \ 7 do { \ 8 static struct lock_class_key __key; \ 9 \ 10 __init_waitqueue_head((q), #q, &__key); \ 11 } while (0)
1 /** 定义并初始化等待队列头部 */ 2 #define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \ 3 wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
1 /** 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 */ 2 #define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) \ 3 wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)
1 /** 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 */ 2 extern void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
1 /** 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 */ 2 extern void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
1 /** 2 * 等待事件 3 * wq：作为等待队列头部的队列被唤醒 4 * condition：此参数必须满足，否则继续阻塞 5 * wait_event 和 wait_event_interruptible 区别是后者可以被信号打断，而前者不能 6 * 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 7 */ 8 wait_event(wq, condition); 9 wait_event_interruptible(wq, condition); 10 wait_event_timeout(wq, condition, timeout); 11 wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout);
1 /** 2 * 唤醒队列 3 * 唤醒以 q 作为等待队列头部的队列中的所有进程 4 * wake_up 与 wait_event 或 wait_event_timeout 成对使用 5 * wake_up_interruptible 与 wait_event_interruptible 或 wait_event_interruptible_timeout 成对使用 6 * wake_up 可唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的进程 7 * wake_up_interruptible 只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 的进程 8 */ 9 void wake_up(wait_queue_head_t *q); 10 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。
1 #include <linux/module.h> 2 #include <linux/fs.h> 3 #include <linux/init.h> 4 #include <linux/cdev.h> 5 #include <linux/slab.h> 6 #include <linux/uaccess.h> 7 #include <linux/mutex.h> 8 #include <linux/wait.h> 9 #include <linux/sched/signal.h> ///< 内核>5.0 使用 10 //#include <linux/sched.h> 11 12 #define GLOBALFIFO_SIZE 0x1000 13 //#define MEM_CLEAR 0X1 14 #define GLOBALFIFO_MAGIC 'g' 15 #define MEM_CLEAR _IO(GLOBALFIFO_MAGIC, 0) 16 #define GLOBALFIFO_MAJOR 230 17 #define DEVICE_NUMBER 10 18 19 static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR; 20 module_param(globalfifo_major, int, S_IRUGO); 21 22 struct globalfifo_dev { 23 struct cdev cdev; 24 /** 25 * 目前 FIFO 中有效数据长度 26 * current_len = 0, 表示 FIFO 为空 27 * current_len = GLOBALFIFO_SIZE, 表示 FIFO 满 28 */ 29 unsigned int current_len; 30 unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE]; 31 struct mutex mutex; 32 wait_queue_head_t r_wait; ///< 读等待队列头 33 wait_queue_head_t w_wait; ///< 写等待队列头 34 }; 35 36 struct globalfifo_dev *globalfifo_devp; 37 38 /** 39 * 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， 40 * 再用 read write llseek ioctl 等函数通过 private_data 访问设备结构体。 41 * 对于此驱动而言，私有数据的设置是在 open 函数中完成的 42 */ 43 static int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp) 44 { 45 /** 46 * NOTA: 47 * 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。 48 * 第一个参数是结构体成员的指针 49 * 第二个参数是整个结构体的类型 50 * 第三个参数为传入的第一个参数(即结构体成员)的类型 51 * container_of 返回值为整个结构体指针 52 */ 53 struct globalfifo_dev *dev = container_of(inode->i_cdev, struct globalfifo_dev, cdev); 54 filp->private_data = dev; 55 return 0; 56 } 57 58 static int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp) 59 { 60 return 0; 61 } 62 63 static long globalfifo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) 64 { 65 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; 66 67 switch(cmd){ 68 case MEM_CLEAR: 69 mutex_lock(&dev->mutex); 70 memset(dev->mem, 0, GLOBALFIFO_SIZE); 71 printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero\n"); 72 mutex_unlock(&dev->mutex); 73 break; 74 default: 75 return -EINVAL; 76 } 77 78 return 0; 79 } 80 81 static loff_t globalfifo_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig) 82 { 83 loff_t ret = 0; 84 switch(orig) { 85 case 0: /** 从文件开头位置 seek */ 86 if(offset < 0){ 87 ret = -EINVAL; 88 break; 89 } 90 if((unsigned int)offset > GLOBALFIFO_SIZE){ 91 ret = -EINVAL; 92 break; 93 } 94 filp->f_pos = (unsigned int)offset; 95 ret = filp->f_pos; 96 break; 97 case 1: /** 从文件当前位置开始 seek */ 98 if((filp->f_pos + offset) > GLOBALFIFO_SIZE){ 99 ret = -EINVAL; 100 break; 101 } 102 if((filp->f_pos + offset) < 0){ 103 ret = -EINVAL; 104 break; 105 } 106 filp->f_pos += offset; 107 ret = filp->f_pos; 108 break; 109 default: 110 ret = -EINVAL; 111 break; 112 } 113 114 return ret; 115 } 116 117 static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 118 { 119 unsigned int count = size; 120 int ret = 0; 121 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; 122 123 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); ///< 将当前进程加入到 wait 等待队列 124 mutex_lock(&dev->mutex); 125 add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); ///< 添加等待队列元到读队列头中 126 127 /** 判断设备是否可写 */ 128 while(dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE){ 129 /** 若是非阻塞访问, 设备忙时, 直接返回 -EAGAIN */ 130 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK) { 131 ret = -EAGAIN; 132 goto out; 133 } 134 135 __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); ///<改变进程状态为睡眠 136 schedule(); 137 if(signal_pending(current)){ ///< 因为信号而唤醒 138 ret = -ERESTARTSYS; 139 goto out2; 140 } 141 } 142 143 if(count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len) 144 count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len; 145 146 if(copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)){ 147 ret = -EFAULT; 148 goto out; 149 } else { 150 dev->current_len += count; 151 printk(KERN_INFO "written %u bytes(s), current len:%d\n", count, dev->current_len); 152 153 wake_up_interruptible(&dev->r_wait); ///< 唤醒读等待队列 154 ret = count; 155 } 156 out: 157 mutex_unlock(&dev->mutex); 158 out2: 159 remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); ///< 移除等待队列 160 set_current_state(TASK_RUNNING); 161 return ret; 162 } 163 164 /** 165 * *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 166 */ 167 static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 168 { 169 unsigned int count = size; 170 int ret = 0; 171 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; 172 173 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); ///< 将当前进程加入到 wait 等待队列 174 mutex_lock(&dev->mutex); 175 add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); ///< 添加等待队列元到读队列头中 176 177 /** 等待 FIFO 非空，即判断设备是否可读 */ 178 while(dev->current_len == 0) { 179 /** 若是非阻塞访问, 设备忙时, 直接返回 -EAGAIN */ 180 /** filp->f_flags 是用户空间 */ 181 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK) { 182 ret = -EAGAIN; 183 goto out; 184 } 185 186 /** 187 * 阻塞访问，调度其他进程执行 188 * 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； 189 * 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； 190 * 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 191 */ 192 __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); ///<改变进程状态为睡眠 193 mutex_unlock(&dev->mutex); 194 schedule(); 195 if(signal_pending(current)){ ///< 因为信号而唤醒 196 ret = -ERESTARTSYS; 197 goto out2; 198 } 199 200 mutex_lock(&dev->mutex); 201 } 202 203 /** 要读取的字节数大于设备文件中的有效数据长度 */ 204 if(count > dev->current_len) 205 count = dev->current_len; 206 207 /** 从用户空间拷贝数据 */ 208 if(copy_to_user(buf, dev->mem, count)) { 209 ret = -EFAULT; 210 goto out; 211 } else { 212 /** FIFO 中数据前移 */ 213 memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count); 214 dev->current_len -= count; ///< 有效数据长度减少 215 printk(KERN_INFO "read %u bytes(s), current_len: %d\n", count, dev->current_len); 216 217 wake_up_interruptible(&dev->w_wait); ///< 唤醒写等待队列 218 219 ret = count; 220 } 221 out: 222 mutex_unlock(&dev->mutex); 223 out2: 224 remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); ///< 移除等待队列 225 set_current_state(TASK_RUNNING); 226 return ret; 227 } 228 229 static const struct file_operations globalfifo_fops = { 230 .owner = THIS_MODULE, 231 .llseek = globalfifo_llseek, 232 .read = globalfifo_read, 233 .write = globalfifo_write, 234 .unlocked_ioctl = globalfifo_ioctl, 235 .open = globalfifo_open, 236 .release = globalfifo_release, 237 }; 238 239 240 /** 241 * @brief globalfifo_setup_cdev 242 * 243 * @param dev 244 * @param index 次设备号 245 */ 246 static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index) 247 { 248 int err; 249 int devno = MKDEV(globalfifo_major, index); 250 251 /** 使用 cdev_init 即是静态初始化了 cdev */ 252 cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops); 253 dev->cdev.owner = THIS_MODULE; 254 255 /** 设备编号范围设置为1，表示我们只申请了一个设备 */ 256 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1); 257 if(err) 258 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalfifo%d\n", err, index); 259 } 260 261 static int __init globalfifo_init(void) 262 { 263 int ret; 264 int i; 265 dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0); 266 267 if(globalfifo_major) 268 ret = register_chrdev_region(devno, DEVICE_NUMBER, "globalfifo"); 269 else { 270 ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, DEVICE_NUMBER, "globalfifo"); 271 globalfifo_major = MAJOR(devno); 272 } 273 274 if(ret < 0) 275 return ret; 276 277 globalfifo_devp = kzalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL); 278 if(!globalfifo_devp){ 279 ret = -ENOMEM; 280 goto fail_malloc; 281 } 282 283 for(i = 0; i < DEVICE_NUMBER; i++){ 284 globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp + i, i); 285 } 286 287 mutex_init(&globalfifo_devp->mutex); 288 289 /** 初始化读写等待队列 */ 290 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait); 291 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait); 292 293 fail_malloc: 294 unregister_chrdev_region(devno, 1); 295 return ret; 296 } 297 298 static void __exit globalfifo_exit(void) 299 { 300 int i; 301 for(i = 0; i < DEVICE_NUMBER; i++) { 302 cdev_del(&(globalfifo_devp + i)->cdev); 303 } 304 kfree(globalfifo_devp); 305 unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1); 306 } 307 308 module_init(globalfifo_init); 309 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
