异步IO
结合阻塞与非阻塞访问、poll 函数可以较好地解决设备的读写，但是如果有了异步通知就更方便了。异步通知的意思是：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上“中断”地概念，比较准确的称谓是：信号驱动(SIGIO)的异步 I/O。可以使用signal()函数来设置对应的信号的处理函数。函数原型是：
void (*signal(int signo,void (*func)(int))) (int)
我们先来看一个使用信号驱动的例子，通过signal(SIGIO,input_handler) 对打开的文件fd 启动信号机制，输入可获得时inputhandler被调用，代码如下：
/*async_io_app.c*/
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <signal.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #define MAX_LEN 100 int fd; void input_handler(int num) { char data[MAX_LEN]; int len; //读取并输出 STDIN_FILENO 上的输入 len = read(fd, &data, MAX_LEN); data[len] = 0; printf("input available:%s\n", data); } int main() { int oflags; //启动信号驱动机制 fd = open("/dev/CDEV_ZHU", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); if(fd == -1)
{ printf("Device Open Failure !\n"); exit(0); } signal(SIGIO, input_handler); fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); oflags = fcntl(fd, F_GETFL); fcntl(fd, F_SETFL, oflags | FASYNC); //最后进入一个死循环，程序什么都不干了，只有信号能激发 input_handler 的运行 //如果程序中没有这个死循环，会立即执行完毕 while (1); return 0; }
下面来解释一下上面的代码。为了一个用户在用户空间中能处理一个设备释放的信号，它必须完成一下3份工作：
1)通过F_SETOWN控制指令设置设备文件的拥有者为本进程,这样从设备驱动中发出的信号才能被本进程收到。
2)通过F_SETFL 控制命令设置设备文件支持FASYNC,即异步通知模式。
3)通过signal()链接信号和信号处理函数。
有了信号的发送，那么就一定得有信号的释放了：
在设备驱动和应用程序的异步通知交互中，仅仅在应用程序端捕获信号是不够的，因为信号没有的源头是在驱动端，因此要在适当的时机让设备驱动释放信号。
为了使设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及三个操作：
1)支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应的进程ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。
2)支持F_SETFL命令的处理,每当FASYNC标志改变时，驱动程序中fasync()函数将得以进行。因此,驱动程序必须实现fasync()函数。
3)在设备资源可获得时,调用kill_fasync()函数激发相应的信号。
驱动程序中上面的三步是和应用程序是一一对应的。如下图：
设备驱动中异步通知编程还是比较简单的，主要就是一些数据结构，和两个函数：
数据结构：fasync_struct结构体
函数：1）处理FASYNC标志变更的函数int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode ,struct fasync_struct **fa);
2) 释放信号用的函数void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);
和其他设备驱动一样，一般将fasync_struct放到设备结构体中。
下面给出驱动程序部分实现支持异步IO的代码：
/* async_io_driver.c */
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/poll.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define LEN 30
#define init_MUTEX(LOCKNAME) sema_init(LOCKNAME,1)
#define DEVICE_NAME "CDEV_ZHU"
static struct class *cdev_class;
struct asycIO
{
struct cdev dev_c; /*cdev结构体*/
dev_t dev;
char mem[LEN];
int flag ;
struct semaphore sem; /*并发控制用的信号量*/
wait_queue_head_t r_wait; /*阻塞读用的等待队列头*/
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体指针，用于读 */
};
struct asycIO asyc_device;
static int asyc_io_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)
{
return fasync_helper(fd, filp, mode, &asyc_device.async_queue);
}
/*文件释放函数*/
int asyc_io_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 将文件从异步通知列表中删除 */
asyc_io_fasync( - 1, filp, 0);
return 0;
}
/*写操作*/
static ssize_t asyc_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
int ret = count;
printk("In asyc_write! \n");
down(&asyc_device.sem); //获取信号量
memset(asyc_device.mem,0,LEN);
if (copy_from_user(asyc_device.mem, buf, count))
{
up(&asyc_device.sem);
return - EFAULT;
}
printk("kernel recieve: %s and the length is %d \n",asyc_device.mem,count);
up(&asyc_device.sem);
asyc_device.flag = 1;
if (asyc_device.async_queue)
kill_fasync(&asyc_device.async_queue, SIGIO, POLL_IN);
wake_up_interruptible(&asyc_device.r_wait);
return ret;
}
static ssize_t asyc_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
int ret = len;
printk("In asyc_read \n");
if (wait_event_interruptible(asyc_device.r_wait, asyc_device.flag != 0))
{
return - ERESTARTSYS;
}
if (down_interruptible(&asyc_device.sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
asyc_device.flag = 0;
if (copy_to_user(buf, asyc_device.mem, len))
{
up(&asyc_device.sem);
return - EFAULT;
}
up(&asyc_device.sem);
return ret;
}
struct file_operations asyc_fops =
{
read: asyc_read,
write: asyc_write,
fasync: asyc_io_fasync,
release: asyc_io_release,
};
static int __init asyc_init(void)
{
int ret,err;
ret = alloc_chrdev_region(&(asyc_device.dev),0,1,DEVICE_NAME) ;
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
cdev_init(&(asyc_device.dev_c),&asyc_fops);
err = cdev_add(&(asyc_device.dev_c),asyc_device.dev,1);
if(err)
{
printk(KERN_NOTICE "error %d adding FC_dev\n",err);
unregister_chrdev_region(asyc_device.dev, 1);
return err;
}
else
{
printk("device register success! \n");
}
cdev_class = class_create(THIS_MODULE,DEVICE_NAME);
if(IS_ERR(cdev_class))
{
printk("ERR:cannot create a cdev_class\n");
unregister_chrdev_region(asyc_device.dev, 1);
return -1;
}
device_create(cdev_class, NULL, asyc_device.dev, 0, DEVICE_NAME);
asyc_device.flag = 0;
init_MUTEX(&(asyc_device.sem));
init_waitqueue_head(&(asyc_device.r_wait));
}
return ret;
}
static void __exit asyc_exit(void)
{
device_destroy(cdev_class,asyc_device.dev);
class_destroy(cdev_class);
unregister_chrdev_region(asyc_device.dev,1);
printk(" device exit! \n");
}
module_init(asyc_init);
module_exit(asyc_exit);
应用程序实现写入功能：
/* async_io_app_w.c*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
int fd, num;
char buffer[100] = {0};
fd = open("/dev/CDEV_ZHU", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
printf("open /dev/CDEV_ZHU fd = %d \n",fd);
if (fd != -1)
{
while (1)
{
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
printf("Please input the buffer:\n");
scanf("%s", buffer);
if (buffer[0] == '0') //如果输入 0，退出
{
close(fd);
break;
}
write(fd, buffer, strlen(buffer));
printf("We have written: %s\n",buffer);
}
}
else
{
printf("device open failure\n");
}
return 0;
}
将上面的“async_io_app.c”、“async_io_driver.c”、“async_io_app_w.c”进行编译，加载驱动之后，开两个终端，分别运行async_io_app 和 async_io_app_w，当async_io_app_w有数据写入的时候，async_io_app的终端会打印所写入的数据，当然内核也会打印数据，下面是结果：
说明：上面图是三个终端的打印结果，从左到右一次是async_io_app_w , async_io_app 和使用dmesg 打印内核的结果。
注：我本来也想用代码格式，但是感觉在vim上排版很舒服的，上来用代码格式反而还不好看了，于是就这样了
