[Linux]阻塞与非阻塞（等待队列、轮询）机制

基本概念

阻塞指执行设备操作时，不能获得资源则挂起进程，被挂起的进程进入休眠，从调度器的进行队列中移走。
非阻塞指在不能获得资源的情况下，要么放弃，要么不停地查询，直到可以操作。

等待队列（Wait Queue）

Linux 中采用等待队列来实现阻塞进程的唤醒。
等待队列以队列为基础数据结构，结合进程调度机制，用来同步对系统资源的访问。

1. 定义等待队列头

wait_queue_head_t my_queue;

2.初始化等待队列头

init_waitqueue_head(&my_queue);
//或者
DECLAR_WAIT_QUEUE_HEAD(name)

3.定义等待队列元素

DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk)

4.添加/移除等待队列

//将等待队列元素 wait 添加到等待队列头 q 指向的双向链表中
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
//将等待队列元素 wait 从由 q 头部指向的链表中移除
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

5.等待事件

//等待队列头 queue 被唤醒
//condition 必须满足，否则继续阻塞
wait_event(queue,condition) 
wait_event_interruptible(queue, condition)              //可以被信号唤醒
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)       //timeout 为阻塞等待超时时间, jiffy 为单位
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)

6.唤醒队列

void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

上述操作会唤醒以 queue 作为等待队列头部的队列中的所有进程。
wake_up 可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的进程。
wake_up_interruptible 只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 的进程。

7.在等待队列上睡眠

sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);

轮询

select()+poll() 或 epoll

/*
    readfds、writefds、 exceptfds 是监视的 读、写、异常处理的文件描述符集合
    numfs 是需要检查的号码的最高值+1
    readfds 如果有任何文件变得可读  或者  writefds 如果有任何文件变得可写，select() 就会返回
*/
int select(int numfs, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)

FD_ZERO(fd_set *set)  //清除
FD_SET(int fd, fd_set *set) //添加
FD_CLR(int fd, fd_set *set) //删除
FD_ISSET(int fd,fd_set *set) //判断是否被置为

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

但是我们一般用 epoll()

//1.  创建 epoll 句柄（返回文件描述符 epfd），size 是内核要监听的 fd 的个数
int epoll_create(int size);
//2.  监听事件类型
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
/* op:
 EPOLL_CTL_ADD 添加
 EPOLL_CTL_MOD 修改
 EPOLL_CTL_DEL  删除
   event:
 EPOLLIN 可读
 EPOLLOUT 可写
 EPOLLPRI 紧急可读（有 socket 带外数据到来）
 EPOLLERR fd 发生错误
 EPOLLHUP fd 被挂断
 EPOLLET 设置为边缘触发（高速模式：如果 fd 从未就绪变为就绪，内核通过 epoll 告诉用户，一次就绪通知）
 EPOLLONESHOT 一次性监听（监听完后不再监听）
*/
//3. 等待事件发生
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
events 输入
maxevents 表示个数 < epoll_create 创建时的 size
timeout 超时时间 0 立即 -1 永久

设备驱动中的 poll() 模板

见实例

实例

等待队列

static ssize_t xxx_write(struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    ...
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);   /* 定义等待队列元素 */
    add_wait_queue( &xxx_wait , &wait); /* 添加元素 wait 到等待队列 xxx_wait */

    /* 等待设备缓冲区可写 */
    do{
        avail = device_writable(...);
        if( avail < 0){
            if(file->f_flags & O_NONBLOCK)  //是非阻塞
            {
                ret = -EAGAIN;
                goto out;
            }
            __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* 改变进程状态 */
            schedule();                         /* 调度其他进程执行 */
            if(signal_pending(current))         /* 如果是因为信号唤醒*/
            {
                ret = -ERESTARTSYS;
                goto out;
            }
        }
    } while( avail < 0);

    /* 写设备缓冲区 */
    device_write(...);
out:
    remove_wait_queue(&xxx_wait, &wait);
    set_current_sate(TASK_RUNNING);
    return ret;
}

轮询

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define FIFO_CLEAR 0x1
#define BUFFER_LEN 20
void main(void)
{
    int fd, num;
    char rd_ch[BUFFER_LEN];
    fd_set rfds, wfds;  /* 读/写文件描述符集 */

    /* 以非阻塞方式打开/dev/globalfifo设备文件 */
    fd = open("/dev/globalfifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd != -1) {
        /* FIFO清0 */
        if (ioctl(fd, FIFO_CLEAR, 0) < 0)
            printf("ioctl command failed\n");

        while (1) {
            FD_ZERO(&rfds);                     //FD_ZERO 清除文件描述符合集
            FD_ZERO(&wfds);
            FD_SET(fd, &rfds);                  //FD_SET 将 fd 加入合集中
            FD_SET(fd, &wfds);

            select(fd + 1, &rfds, &wfds, NULL, NULL);
            /* 数据可获得 */
            if (FD_ISSET(fd, &rfds))
                printf("Poll monitor:can be read\n");
            /* 数据可写入 */
            if (FD_ISSET(fd, &wfds))
                printf("Poll monitor:can be written\n");
        }
    } else {
        printf("Device open failure\n");
    }
}