Linux驱动实践：驱动程序如何发送【信号】给应用程序？

作者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。

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kill 命令和信号
驱动程序代码示例：发送信号
应用程序代码示例：接收信号
- - 注册信号处理函数

别人的经验，我们的阶梯！

大家好，我是道哥，今天我为大伙儿解说的技术知识点是：【驱动层中，如何发送信号给应用程序】。

在上一篇文章中，我们讨论的是：在应用层如何发送指令来控制驱动层的 GPIOLinux驱动实践：如何编写【 GPIO 】设备的驱动程序？。控制的方向是从应用层到驱动层：

那么，如果想让程序的执行路径从下往上，也就是从驱动层传递到应用层，应该如何实现呢？

最容易、最简单的方式，就是通过发送信号！

这篇文章继续以完整的代码实例来演示如何实现这个功能。

kill 命令和信号

使用 kill 命令发送信号

关于 Linux 操作系统的信号，每位程序员都知道这个指令：使用 kill 工具来“杀死”一个进程：

$ kill -9 <进程的 PID>

这个指令的功能是：向指定的某个进程发送一个信号 9，这个信号的默认功能是：是停止进程。

虽然在应用程序中没有主动处理这个信号，但是操作系统默认的处理动作是终止应用程序的执行。

除了发送信号 9，kill 命令还可以发送其他的任意信号。

在 Linux 系统中，所有的信号都使用一个整型数值来表示，可以打开文件 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/signum.h(你的系统中可能位于其他的目录) 查看一下，比较常见的几个信号是：

/* Signals.  */
#define	SIGINT		2	/* Interrupt (ANSI).  */
#define	SIGKILL		9	/* Kill, unblockable (POSIX).  */
#define	SIGUSR1		10	/* User-defined signal 1 (POSIX).  */
#define	SIGSEGV		11	/* Segmentation violation (ANSI).  */
#define	SIGUSR2		12	/* User-defined signal 2 (POSIX).  */
...
...
#define SIGSYS		31	/* Bad system call.  */
#define SIGUNUSED	31

#define	_NSIG		65	/* Biggest signal number + 1
				   (including real-time signals).  */

/* These are the hard limits of the kernel.  These values should not be
   used directly at user level.  */
#define __SIGRTMIN	32
#define __SIGRTMAX	(_NSIG - 1)

信号 9 对应着 SIGKILL，而信号11（SIGSEGV）就是最令人讨厌的Segmentfault！

这里还有一个地方需要注意一下：实时信号和非实时信号，它俩的主要区别是：

非实时信号：操作系统不确保应用程序一定能接收到(即：信号可能会丢失);

实时信号：操作系统确保应用程序一定能接收到;

如果我们的程序设计，通过信号机制来完成一些功能，那么为了确保信号不会丢失，肯定是使用实时信号的。

从文件 signum.h 中可以看到，实时信号从 __SIGRTMIN（数值：32）开始。

多线程中的信号

我们在编写应用程序时，虽然没有接收并处理 SIGKILL 这个信号，但是一旦别人发送了这个信号，我们的程序就被操作系统停止掉了，这是默认的动作。

那么，在应用程序中，应该可以主动声明接收并处理指定的信号，下面就来写一个最简单的实例。

在一个应用程序中，可能存在多个线程;

当有一个信号发送给此进程时，所有的线程都可能接收到，但是只能有一个线程来处理;

在这个示例中，只有一个主线程来接收并处理信号;

信号注册和处理函数

按照惯例，所有应用程序文件都创建在 ~/tmp/App 目录中。

// 文件：tmp/App/app_handle_signal/app_handle_signal.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys ioctl.h="">
#include <signal.h>

// 信号处理函数
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
	// 打印接收到的信号值
    printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
}

int main(void)
{
	int count = 0;
	// 注册信号处理函数
	struct sigaction sa;
	sigemptyset(&sa.sa_mask);
	sa.sa_sigaction = &signal_handler;
	sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
	sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
	sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL);

	// 一直循环打印信息，等待接收发信号
	while (1)
	{
		printf("app_handle_signal is running...count = %d \n", ++count);
		sleep(5);
	}

	return 0;
}

这个示例程序接收的信号是 SIGUSR1 和 SIGUSR2，也就是数值 10 和 12。

编译、执行：

$ gcc app_handle_signal.c -o app_handle_signal
$ ./app_handle_signal

此时，应用程序开始执行，等待接收信号。

在另一个终端中，使用kill指令来发送信号SIGUSR1或者 SIGUSR2。

kill 发送信号，需要知道应用程序的 PID，可以通过指令: ps -au | grep app_handle_signal 来查看。

其中的15428就是进程的 PID。

执行发送信号SIGUSR1指令：

$ kill -10 15428

此时，在应用程序的终端窗口中，就能看到下面的打印信息：

说明应用程序接收到了 SIGUSR1 这个信号！

注意：我们是使用kill命令来发送信号的，kill 也是一个独立的进程，程序的执行路径如下：

在这个执行路径中，我们可控的部分是应用层，至于操作系统是如何接收kill的操作，然后如何发送信号给 app_handle_signal 进程的，我们不得而知。

下面就继续通过示例代码来看一下如何在驱动层主动发送信号。

驱动程序代码示例：发送信号

功能需求

在刚才的简单示例中，可以得出下面这些信息：

信号发送方：必须知道向谁[PID]发送信号，发送哪个信号;

信号接收方：必须定义信号处理函数，并且向操作系统注册：接收哪些信号;

发送方当然就是驱动程序了，在示例代码中，继续使用 SIGUSR1 信号来测试。

那么，驱动程序如何才能知道应用程序的PID呢？可以让应用程序通过oictl函数，把自己的PID主动告诉驱动程序：

驱动程序

这里的示例代码，是在上一篇文章的基础上修改的，改动部分的内容，使用宏定义 MY_SIGNAL_ENABLE 控制起来，方便查看和比较。

以下所有操作的工作目录，都是与上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。

$ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers/
$ mkdir my_driver_signal
$ cd my_driver_signal
$ touch my_driver_signal.c

my_driver_signal.c 文件的内容如下(不需要手敲，文末有代码下载链接)：

#include <linux module.h="">
#include <linux kernel.h="">
#include <linux ctype.h="">
#include <linux device.h="">
#include <linux cdev.h="">

// 新增的头文件
#include <asm siginfo.h="">
#include <linux pid.h="">
#include <linux uaccess.h="">
#include <linux sched="" signal.h="">
#include <linux pid_namespace.h="">

// GPIO 硬件相关宏定义
#define MYGPIO_HW_ENABLE

// 新增部分，使用这个宏控制起来
#define MY_SIGNAL_ENABLE

// 设备名称
#define MYGPIO_NAME			"mygpio"

// 一共有４个GPIO
#define MYGPIO_NUMBER		4

// 设备类
static struct class *gpio_class;

// 用来保存设备
struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER];

// 用来保存设备号
int gpio_major = 0;
int gpio_minor = 0;

#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
// 用来保存向谁发送信号，应用程序通过 ioctl 把自己的进程 ID 设置进来。
static int g_pid = 0;
#endif

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
// 硬件初始化函数，在驱动程序被加载的时候(gpio_driver_init)被调用
static void gpio_hw_init(int gpio)
{
	printk("gpio_hw_init is called: %d. \n", gpio);
}

// 硬件释放
static void gpio_hw_release(int gpio)
{
	printk("gpio_hw_release is called: %d. \n", gpio);
}

// 设置硬件GPIO的状态，在控制GPIO的时候(gpio_ioctl)被调研
static void gpio_hw_set(unsigned long gpio_no, unsigned int val)
{
	printk("gpio_hw_set is called. gpio_no = %ld, val = %d. \n", gpio_no, val);
}
#endif

#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
// 用来发送信号给应用程序
static void send_signal(int sig_no)
{
	int ret;
	struct siginfo info;
	struct task_struct *my_task = NULL;
	if (0 == g_pid)
	{
		// 说明应用程序没有设置自己的 PID
	    printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid);
	    return;
	}

	printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid);

	// 构造信号结构体
	memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo));
	info.si_signo = sig_no;
	info.si_errno = 100;
	info.si_code = 200;

	// 获取自己的任务信息，使用的是 RCU 锁
	rcu_read_lock();
	my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);
	rcu_read_unlock();

	if (my_task == NULL)
	{
	    printk("get pid_task failed! \n");
	    return;
	}

	// 发送信号
	ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task);
	if (ret < 0) 
	{
	       printk("send signal failed! \n");
	}
}
#endif

// 当应用程序打开设备的时候被调用
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	
	printk("gpio_open is called. \n");
	return 0;	
}

#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	void __user *pArg;
	printk("gpio_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd);
	if (100 == cmd)
	{
		// 说明应用程序设置进程的 PID 
		pArg = (void *)arg;
		if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int)))
		{
		    printk("access failed! \n");
		    return -EACCES;
		}

		// 把用户空间的数据复制到内核空间
		if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int)))
		{
		    printk("copy_from_user failed! \n");
		    return -EFAULT;
		}

		printk("save g_pid success: %d \n", g_pid); 
		if (g_pid > 0)
		{
			// 发送信号
			send_signal(SIGUSR1);
			send_signal(SIGUSR2);
		}
	}

	return 0;
}
#else
// 当应用程序控制GPIO的时候被调用
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int val, unsigned long gpio_no)
{
	printk("gpio_ioctl is called. \n");
	
	if (0 != val && 1 != val)
	{
		printk("val is NOT valid! \n");
		return 0;
	}

	if (gpio_no >= MYGPIO_NUMBER)
	{
		printk("dev_no is invalid! \n");
		return 0;
	}

	printk("set GPIO: %ld to %d. \n", gpio_no, val);

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
	gpio_hw_set(gpio_no, val);
#endif

	return 0;
}
#endif

static const struct file_operations gpio_ops={
	.owner = THIS_MODULE,
	.open  = gpio_open,
	.unlocked_ioctl = gpio_ioctl
};

static int __init gpio_driver_init(void)
{
	int i, devno;
	dev_t num_dev;

	printk("gpio_driver_init is called. \n");

	// 动态申请设备号(严谨点的话，应该检查函数返回值)
	alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME);

	// 获取主设备号
	gpio_major = MAJOR(num_dev);
	printk("gpio_major = %d. \n", gpio_major);

	// 创建设备类
	gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME);

	// 创建设备节点
	for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
	{
		// 设备号
		devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i);
		
		// 初始化cdev结构
		cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops);

		// 注册字符设备
		cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1);

		// 创建设备节点
		device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i);
	}

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
	for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
	{
		// 初始硬件GPIO
		gpio_hw_init(i);
	}
#endif

	return 0;
}

static void __exit gpio_driver_exit(void)
{
	int i;
	printk("gpio_driver_exit is called. \n");

	// 删除设备节点
	for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
	{
		cdev_del(&gpio_cdev[i]);
		device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i));
	}

	// 释放设备类
	class_destroy(gpio_class);

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
	for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
	{
		gpio_hw_release(i);
	}
#endif

	// 注销设备号
	unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER);
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(gpio_driver_init);
module_exit(gpio_driver_exit);

这里大部分的代码，在上一篇文章中已经描述的比较清楚了，这里把重点关注放在这两个函数上：gpio_ioctl 和 send_signal。

（1）函数 gpio_ioctl

当应用程序调用 ioctl() 的时候，驱动程序中的 gpio_ioctl 就会被调用。

这里定义一个简单的协议：当应用程序调用参数中 cmd 为 100 的时候，就表示用来告诉驱动程序自己的 PID。

驱动程序定义了一个全局变量 g_pid，用来保存应用程序传入的参数PID。

需要调用函数 copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))，把用户空间的参数复制到内核空间中;

成功取得PID之后，就调用函数 send_signal 向应用程序发送信号。

这里仅仅是用于演示目的，在实际的项目中，可能会根据接收到硬件触发之后再发送信号。

（2）函数 send_signal

这个函数主要做了3件事情：

构造一个信号结构体变量：struct siginfo info;

通过应用程序传入的 PID，获取任务信息：pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);

发送信号：send_sig_info(sig_no, &info, my_task);

驱动模块 Makefile

$ touch Makefile

内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
	obj-m := my_driver_signal.o
else
	KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
	PWD := $(shell pwd)
default:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif

编译驱动模块

$ make

得到驱动程序： my_driver_signal.ko 。

加载驱动模块

$ sudo insmod my_driver_signal.ko

通过 dmesg 指令来查看驱动模块的打印信息：

因为示例代码是在上一篇GPIO的基础上修改的，因此创建的设备节点文件，与上篇文章是一样的：

应用程序代码示例：接收信号

注册信号处理函数

应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

$ mkdir ~/tmp/App/app_mysignal
$ cd ~/tmp/App/app_mysignal
$ touch mysignal.c

文件内容如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys ioctl.h="">
#include <signal.h>

#define MY_GPIO_NUMBER		4

char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = {
	"/dev/mygpio0",
	"/dev/mygpio1",
	"/dev/mygpio2",
	"/dev/mygpio3"
};

// 信号处理函数
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
	// 打印接收到的信号值
    printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
    printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n",
	         info->si_signo,
	         info->si_code, 
	         info->si_errno);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, count = 0;
	int pid = getpid();

	// 打开GPIO
	if((fd = open("/dev/mygpio0", O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){
		printf("open dev failed! \n");
		return -1;
	}

	printf("open dev success! \n");
	
	// 注册信号处理函数
	struct sigaction sa;
	sigemptyset(&sa.sa_mask);
	sa.sa_sigaction = &signal_handler;
	sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
	
	sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
	sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL);

	// set PID 
	printf("call ioctl. pid = %d \n", pid);
	ioctl(fd, 100, &pid);

	// 休眠1秒，等待接收信号
	sleep(1);

	// 关闭设备
	close(fd);
}

可以看到，应用程序主要做了两件事情：

（1）首先通过函数 sigaction() 向操作系统注册了信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2，它俩的信号处理函数是同一个：signal_handler()。

除了 sigaction 函数，应用程序还可以使用 signal 函数来注册信号处理函数;

（2）然后通过 ioctl(fd, 100, &pid); 向驱动程序设置自己的 PID。

编译应用程序：

$ gcc mysignal.c -o mysignal

执行应用程序：

$ sudo ./mysignal

根据刚才驱动程序的代码，当驱动程序接收到设置PID的命令之后，会立刻发送两个信号：

先来看一下 dmesg 中驱动程序的打印信息：

可以看到：驱动把这两个信号(10 和 12)，发送给了应用程序(PID=6259)。

应用程序的输出信息如下：

可以看到：应用程序接收到信号 10 和 12，并且正确打印出信号中携带的一些信息!

------ End ------

文中的测试代码，已经放在网盘了。

在公众号【IOT物联网小镇】后台回复关键字：1205，即可获取下载地址。

谢谢！

sewain