【linux】驱动-13-阻塞与非阻塞

前言
13. 阻塞与非阻塞

前言

13. 阻塞与非阻塞

本章内容为驱动基石之一。
驱动只提供功能，不提供策略。

阻塞与非阻塞 都是应用程序主动访问的。从应用角度去解读阻塞与非阻塞。

原文：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14912496.html

13.1 阻塞与非阻塞

阻塞：

指在执行设备操作时，若不能获得资源，则挂起进程，直至满足操作的条件后再继续执行。

非阻塞：

指在执行设备操作时，若不能获得资源，则不挂起，要么放弃，要么不停查询，直至设备可操作。

实现阻塞的常用技能包括：(目的其实就是阻塞)

休眠与唤醒机制（和等待队列相辅相成）。
等待队列（和休眠与唤醒机制相辅相成）。
poll机制。

13.2 休眠与唤醒

若需要实现阻塞式访问，可以使用休眠与唤醒机制。

相关函数其实在 等待队列 小节有说明了，现在只是函数汇总。

13.2.1 内核休眠函数

内核源码路径：include\linux\wait.h。

函数名	描述
wait_event(wq, condition)	休眠，直至 condition 为真；休眠期间不能被打断。
wait_event_interruptible(wq, condition)	休眠，直至 condition 为真；休眠期间可被打断，包括信号。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 为真或超时；休眠期间不能被打断。
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 为真或超时；休眠期间可被打断，包括信号。

13.2.2 内核唤醒函数

内核源码路径：include\linux\wait.h。

函数名	描述
wake_up_interruptible(x)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
wake_up_interruptible_nr(x, nr)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的 nr 个线程
wake_up_interruptible_all(x)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程
wake_up(x)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
wake_up_nr(x, nr)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中 nr 个线程
wake_up_all(x)	唤醒 x 队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程

13.3 等待队列（阻塞）

等待队列：

其实就是内核的一个队列功能单位&API。
在驱动中，可以使用等待队列来实现阻塞进程的唤醒。

使用方法：

定义等待队列头部。
初始化等待队列头部。
定义等待队列元素。
添加/移除等待队列。
等待事件。
唤醒队列。

另外一种使用方法就是 在等待队列上睡眠。

等待队列头部结构体：

struct wait_queue_head {
	spinlock_t		lock;
	struct list_head	head;
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

等待队列元素结构体：

struct wait_queue_entry {
	unsigned int		flags;
	void			*private;
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;
};

13.3.1 定义等待队列头部

定义等待队列头部方法：wait_queue_head_t my_queue;

13.3.2 初始化等待队列头部

初始化等待队列头部源码：void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);
或
定义&初始化等待队列头部：使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD。

13.3.3 定义等待队列元素

定义等待队列元素源码：#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);

name：该等待队列元素的名字。
tsk：该等待队列元素归属于哪个任务进程。

13.3.4 添加/移除等待队列元素

添加等待队列元素源码：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

wq_head：等待队列头部。
wq_entry：等待队列。

移除等待队列元素源码：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

wq_head：等待队列头部。
wq_entry：等待队列。

13.3.5 等待事件

睡眠，直至事件发生：wait_event(wq_head, condition)

wq_head：等待队列头。
condition：事件。当其为真时，跳出。

/**
 * wait_event - sleep until a condition gets true
 * @wq_head: the waitqueue to wait on
 * @condition: a C expression for the event to wait for
 *
 * The process is put to sleep (TASK_UNINTERRUPTIBLE) until the
 * @condition evaluates to true. The @condition is checked each time
 * the waitqueue @wq_head is woken up.
 *
 * wake_up() has to be called after changing any variable that could
 * change the result of the wait condition.
 */
#define wait_event(wq_head, condition)						\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

TASK_INTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接等等），可被信号中断唤醒。可被信号和 wake_up() 唤醒。
TASK_UNINTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接等等），但会忽略信号、不可以被中断唤醒。即是只能由 wake_up() 唤醒。

睡眠，直至事件发生或超时：wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

等待事件发生，且可被信号中断唤醒：wait_event_interruptible(wq_head, condition)
等待事件发生或超时，且可被信号中断唤醒：wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition, timeout)

io_wait_event()：

/*
 * io_wait_event() -- like wait_event() but with io_schedule()
 */
#define io_wait_event(wq_head, condition)					\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__io_wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

13.3.6 唤醒队列

以下两个函数对应等待事件使用：

唤醒队列：void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
唤醒队列，信号中断可唤醒：void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

13.3.7 在等待队列上睡眠

函数源码：

sleep_on(wait_queue_head_t *q)
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
sleep_on()：
- 把当前进程状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列元素，并添加到 q 中。
- 直到资源可用或 q 队列指向链接的进程被唤醒。
- 与 wake_up() 配套使用。interruptible_sleep_on() 与 wake_up_interruptible() 配套使用。

13.4 轮询

当用户应用程序以非阻塞的方式访问设备，设备驱动程序就要提供非阻塞的处理方式。
poll、epoll 和 select 可以用于处理轮询。这三个 API 均在 应用层 使用。

注意，轮询也是在APP实现轮询的。

13.4.1 select 函数

select()：

函数原型：int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
numfds：需要检查的 fd 中最大的 fd + 1。
readfds：读文件描述符集合。NULL 不关心这个。
writefds：写文件描述符集合。NULL 不关心这个。
exceptfds：异常文件描述符集合。NULL 不关心这个。
timeout：超时时间。NULL 时为无限等待。
时间结构体：

struct timeval{
    long tv_sec;    // 秒
    long tv_usec;   // 微妙
};

返回：
- 0：超时。
- -1：错误。
- 其他值：可进行操作的文件描述符个数。
原理：fd_set 为一个 N 字节类型，需要操作的 fd 值在对应比特上置为 1 即可。若 fd 的值为 6，需要检查读操作，则把 readfds 第 6 个 bit 置 1。调用该函数后，先把对应 fd_set 清空，再检查、标记可操作情况。Linux 提供以下接口操作：

FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 把 fd 对应的 set bit 清空。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 查看 d 对应的 set bit 是否被置 **1**。
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 把 fd 对应的 set bit 置 **1**。
FD_ZERO(fd_set *set); // 把 set 全部清空。

fd_set 是有限制的，可以查看源码，修改也可。但是改大会影响系统效率。

13.4.2 poll 函数

由于 fd_set 是有限制的，所以当需要监测大量文件时，便不可用。
这时候，poll() 函数就应运而生。

poll() 和 select() 没什么区别，只是前者没有最大文件描述符限制。

函数原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
fds：要监视的文件描述符集合。
nfds：要监视的文件描述符数量。
timeout：超时时间。单位 ms。
返回：
- 0：超时。
- -1：发生错误，并设置 error 为错误类型。
- 其它：返回 revent 域值不为 0 的 pollfd 个数。即是发生事件或错误的文件描述符数量。

被监视的文件描述符格式：

struct pollfd{
    int fd; /* 文件描述符 */
    short events; /* 请求的事件 */
    short revents; /* 返回的时间 */
}

可请求的事件 events：

宏	说明
POLLIN	有数据可读
POLLPRI	有紧急的数据需要读取
POLLOUT	可以写数据
POLLERR	指定的文件描述符发生错误
POLLHUP	指定的文件描述符被挂起
POLLNVAL	无效的请求
POLLRDNORM	等同于 POLLIN

13.4.3 epoll 函数

select() 和 poll() 会随着监测的 fd 数量增加，而出现效率低下的问题。
poll() 每次监测都需要历遍所有被监测的描述符。

epoll() 函数就是为大量并大而生的。在网络编程中比较常见。

epoll() 使用方法：

创建一个 epoll 句柄：
- 函数原型：int epoll_creat(int size);
- size：随便大于 0 即可。 Linux2.6.8 后便不再维护了。
- 返回：
  - epoll 句柄。
  - -1：创建失败。
向 epoll 添加要监视的文件及监测的事件。
- 函数原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);。
- epfd：epoll 句柄。
- op：操作标识。
  - EPOLL_CTL_ADD：向 epfd 添加 fd 表示的描述符。
  - EPOLL_CTL_MOD：修改 fd 的 event 时间。
  - EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除 fd 描述符。
- fd：要监测的文件。
- event：要监测的事件类型。
等待事件发生。
- 函数原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);。
- epfd：epoll 句柄。
- events：指向 epoll_event 结构体数组。
- maxevents：events 数组大小，必须大于 0。
- timeout：超时时间。

epoll_event 结构体：

struct epoll_event{
    uint32_t events; /* epoll 事件 */
    epoll_data_t data; /* 用户数据 */
}