[源码分析] 结合 select 分析 eventfd 系统调用实现
eventfd(2) 结合 select(2) 源码分析
本文代码选自内核 4.17
eventfd(2) - 创建一个文件描述符用于事件通知。
#include <sys/eventfd.h>
int eventfd(unsigned int initval, int flags);
int eventfd2(unsigned int initval, int flags);
参数
- \initval 为初始值（关联内部结构的 count）
- \flags 内核 2.6.26 之前的版本这个参数无效且必须指定为 0
flags 有意义的参数为
- EFD_CLOEXEC, 等效于 O_CLOEXEC
- EFD_NONBLOCK, 等效于 O_NONBLOCK
- EFD_SEMAPHORE, 信号量选项，影响 read(2) 的取值
返回
- 成功返回一个新的文件描述符，失败返回 -1 并设置 errno
eventfd 作为一个非常简单的抽象文件，每个文件描述符都对应一个在内核空间维护的 __u64 count, 一个无符号64位整形的计数器，而eventfd对应的文件操作都与这个计数器相关。
提供的文件操作
- read(2), 读取 count 减少的值，若flags设置 EFD_SEMAPHORE 则
count -= 1, 否则count -= count; 函数成功返回 8 - write(2), 写入一个 cnt，
count += cnt，函数成功返回 8 - poll(2), poll 操作，事件通知的核心，详见下
- close(2), eventfd 结构对象引用计数减一，若未0，则释放所占用的内存
使用
eventfd(2) 核心就是其 poll 操作，最常见的用法是配合 select(2)/poll(2)/epoll(2) 使用达到不同线程间通信的作用。
#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/eventfd.h>
#include <pthread.h>
int efd;
void *run_eventfd_write(void *arg) {
uint64_t count = 1;
while (1) {
printf("write count: %zu\n", count);
write(efd, &count, sizeof(count));
count++;
sleep(2);
}
}
int main() {
struct pollfd fds;
pthread_t pid;
unsigned int initval = 1000; // 观察将 1000 改为 0 后打印的顺序
int flags = 0;
int timeout = 1000;
// flags |= EFD_SEMAPHORE; // 观察将该注释取消打印的结果
efd = eventfd(initval, flags);
fds.fd = efd;
fds.events |= POLLIN;
pthread_create(&pid, NULL, run_eventfd_write, NULL);
while (1) {
int ret = poll(&fds, 1, timeout);
if (ret > 0) {
uint64_t count;
read(efd, &count, sizeof(count));
printf("read count: %zu\n", count);
}
}
}
read count: 1000
write count: 1
read count: 1
write count: 2
read count: 2
write count: 3
read count: 3
write count: 4
read count: 4
这里使用了一个非常简单的示例，程序不严谨但是很好的展示了如何在两个线程进行通信，在子线程中，通过一个无限循环每隔一秒向 eventfd 中写入一个逐渐增大的无符号长整形数字，在主线程中通过 poll(2) 接收到有就绪事件产生，并且使用 read 函数读取内核空间的计数器减少的值。
read write 系统调用的参数都是以下的形式
int read(int, void *, size_t);
而 eventfd 内部是维护的计数器，所以在使用的时候，保持第二个参数和第三个参数分别为 uint64_t * 和 sizeof(uint64_t)
实现
eventfd(2) 代码实现位于 fs/eventfd.c 中
从代码实现的目录就可以发现，eventfd 是作为一种文件来实现的，代码很简单，不到500行，非常容易理解。通过 eventfd 也可以窥探一下内核驱动的逻辑。
struct eventfd_ctx
struct eventfd_ctx 为 eventfd 在内核空间维护的结构，简单轻量。
struct eventfd_ctx {
struct kref kref; // 结构的引用计数，为 0 时回收内存空间
wait_queue_head_t wqh; // 等待队列头
/*
* Every time that a write(2) is performed on an eventfd, the
* value of the __u64 being written is added to "count" and a
* wakeup is performed on "wqh". A read(2) will return the "count"
* value to userspace, and will reset "count" to zero. The kernel
* side eventfd_signal() also, adds to the "count" counter and
* issue a wakeup.
*/
__u64 count; // 和文件操作紧密相关的计数器
unsigned int flags; // 一些标志位
};
eventfd(2)
系统调用用于创建一个新的文件描述符，初始化内核空间的计数器，还需要初始化等待队列头，后面的读写文件操作都会将自己投入到等待队列中。
static int do_eventfd(unsigned int count, int flags)
{
struct eventfd_ctx *ctx;
int fd;
/* Check the EFD_* constants for consistency. */
BUILD_BUG_ON(EFD_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
BUILD_BUG_ON(EFD_NONBLOCK != O_NONBLOCK);
// flags 只能在 EFD_CLOEXEC EFD_NONBLOCK EFD_SEMAPHORE 中产生
if (flags & ~EFD_FLAGS_SET)
return -EINVAL;
ctx = kmalloc(sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
if (!ctx)
return -ENOMEM;
kref_init(&ctx->kref); // 初始化内存引用为 1
init_waitqueue_head(&ctx->wqh); // 初始化等待队列头
ctx->count = count; // 初始化计数器的为 count
ctx->flags = flags; // 设置 flags
// 创建一个新的文件描述符，并且设置 eventfd 的文件操作
fd = anon_inode_getfd("[eventfd]", &eventfd_fops, ctx,
O_RDWR | (flags & EFD_SHARED_FCNTL_FLAGS));
if (fd < 0)
eventfd_free_ctx(ctx);
return fd;
}
eventfd_fops 为eventfd的文件操作结构，最后注册在文件的 f_op 结构中。
static const struct file_operations eventfd_fops = {
.release = eventfd_release, // 文件的关闭操作
.poll = eventfd_poll, // 文件的 poll 操作
.read = eventfd_read, // 读
.write = eventfd_write, // 写
.llseek = noop_llseek,
};
eventfd_read(2), read(2), eventfd_write(2), write(2)
static ssize_t eventfd_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
loff_t *ppos)
{
struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data; // 将 eventfd 结构从文件的私有数据中取出来
ssize_t res;
__u64 ucnt = 0;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); // 声明一个等待队列项
if (count < sizeof(ucnt)) // 读取的内存内存必须可以容下一个 sizeof(u64)
return -EINVAL;
spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
res = -EAGAIN; // 初始设置EAGAIN，对应非阻塞模式且不符合可读条件
if (ctx->count > 0) // 计数器的值大于 0，意味着可以进行 read 操作，返回值取 8
res = sizeof(ucnt);
else if (!(file->f_flags & O_NONBLOCK)) { // count = 0 并且为设置非阻塞的方式
__add_wait_queue(&ctx->wqh, &wait); // 将等待项添加到等待队列中
for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 设置任务的运行状态为可中断
if (ctx->count > 0) { // 计数器值大于 0，退出循环
res = sizeof(ucnt);
break;
}
if (signal_pending(current)) { // 当前任务有信号产生，退出循环，转而处理信号中断
res = -ERESTARTSYS;
break;
}
spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
schedule(); // 调度
spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
}
__remove_wait_queue(&ctx->wqh, &wait); // 退出循环，删除等待队列中的等待项
__set_current_state(TASK_RUNNING); // 设置任务的运行状态为 运行
}
if (likely(res > 0)) {
eventfd_ctx_do_read(ctx, &ucnt); // 根据eventfd的flags 来选择读取的数量
if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, EPOLLOUT); // 唤醒当前的线程，记住这个函数，后面会配合 select 分析一下，就可以把整个逻辑走通了。
}
spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
if (res > 0 && put_user(ucnt, (__u64 __user *)buf)) // 将count减小的数量复制到用户空间
return -EFAULT;
return res;
}
static void eventfd_ctx_do_read(struct eventfd_ctx *ctx, __u64 *cnt)
{
*cnt = (ctx->flags & EFD_SEMAPHORE) ? 1 : ctx->count; // 设置了 EFD_SEMAPHORE，读取的大小为 1
ctx->count -= *cnt;
}
static ssize_t eventfd_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count,
loff_t *ppos)
{
struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
ssize_t res;
__u64 ucnt;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
if (count < sizeof(ucnt))
return -EINVAL;
if (copy_from_user(&ucnt, buf, sizeof(ucnt))) // 从用户空间复制 8 个字节进内核空间
return -EFAULT;
if (ucnt == ULLONG_MAX) // count 最大值为 ULLONG_MAX
return -EINVAL;
spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
res = -EAGAIN; // 初始设置EAGAIN，对应非阻塞模式且不符合可写入条件
if (ULLONG_MAX - ctx->count > ucnt) // 是否可以写入
res = sizeof(ucnt);
else if (!(file->f_flags & O_NONBLOCK)) { // 不能写入且未设置非阻塞模式
__add_wait_queue(&ctx->wqh, &wait); // 将等待项添加至等待队列中
for (res = 0;;) { // 清除设置的 EAGAIN
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 设置当前任务的运行状态为可中断
if (ULLONG_MAX - ctx->count > ucnt) { // 可写入，设置返回值，退出循环
res = sizeof(ucnt);
break;
}
if (signal_pending(current)) { // 当前任务有信号产生
res = -ERESTARTSYS;
break;
}
spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
schedule(); // 投入到调度队列中
spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
}
__remove_wait_queue(&ctx->wqh, &wait); // 删除等待队列中的等待项
__set_current_state(TASK_RUNNING); // 设置任务正在运行
}
if (likely(res > 0)) {
ctx->count += ucnt; // 计数器的值增加
if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, EPOLLIN); // 唤醒线程
}
spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
return res;
}
除去对入参 cnt 的判断外，在对阻塞模式处理的循环前对 res 的处理也不同，write(2) 是将原来的 res = -EAGAIN 赋值为 0，而 read(2) 未做修改。
但是实际上两者的效果是一样的，进入阻塞模式后，res 一定会取到一个值再返回。
read(2)/write(2) 每一次阻塞时都会将自己投入至内部结构的等待队列中 __add_wait_queue(), 在count可用后，进行唤醒操作：通过遍历当前等待队列，唤醒线程
poll
static __poll_t eventfd_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
__poll_t events = 0;
u64 count;
poll_wait(file, &ctx->wqh, wait); // 结合 select 一起看这个函数
// 一些关于临界区资源访问的注释
count = READ_ONCE(ctx->count);
if (count > 0) // 数量大于 0 可读
events |= EPOLLIN;
if (count == ULLONG_MAX) // 数量达到上限，错误
events |= EPOLLERR;
if (ULLONG_MAX - 1 > count) // 可写
events |= EPOLLOUT;
return events;
}
poll 的实现非常简单，根据 count 的数量进行返回。
文件的 f_op->poll() 在 eventfd 中对应 eventfd_poll()，在 select(2)/poll(2) 中看到两者都会循环调用 f_op->poll()，以下使用 select(2) 的实现为参考。
- 在select(2)调用时，函数 do_select() -> poll_initwait() 设置 pt->_qproc 为 __pollwait()，select(2) 循环执行每个文件描述符对应的 poll 方法，在eventfd 中也就是调用 eventfd_poll()。
- eventfd_poll() 调用 poll_wait() -> 调用 pt->_qproc() 也就是 __pollwait(), 在 __pollwait() 中设置队列项的回调函数为 pollwake() 并将其投入至文件的等待队列中，返回就绪的事件掩码。
- 发生了 read(2)/write(2) 操作，在函数返回前，调用
wake_up_locked_poll(), 遍历文件的等待队列，执行队列项的回调函数（这里对应select(2)中的pollwake()），然后唤醒线程。
小结
eventfd 是一个非常轻量的事件通知方式，通过它的简单运行机制，也可以大概了解一般文件的处理方式。结合 select(2)/poll(2)/epoll(2) 可以把多路复用这一块的整个知识点串联起来。
对 epoll(2) 分析之前把 eventfd 和 poll 先看一遍也是好处多多，毕竟 epoll(2) 也是文件和事件通知的结合。
参考
select源码分析，上一篇写的关于 select 的分析，有一些关于 poll 结构和文件回调的分析。
