linux poll的使用及其原理实现
1 poll的使用
相对于select来说，poll 也是在指定时间内论询一定数量的文件描述符，来测试其中是否有就绪的，不过，poll 提供了一个易用的方法，来实现 i/o 复用。
声明如下：
#include
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); 其中，struct pollfd 定义为：
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};fd 为文件描述符，events 告诉poll 监听fd 上哪些事件，它是一系列事件按位或。revents 由内核修改，来通知应用程序fd 上实际上发生了哪些事件。
nfds 为监听事件集合fds的大小
timeout 为poll的超时时间，单位毫秒。timeout 为-1时，poll永远阻塞，直到有事件发生。timeout为0时，poll立即返回。
下面举一个例子来看一下具体如何使用poll来监听文件的状态
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include 可以看到设置了监听事件以后，当进程返回的时候，可以从返回的revents中读取就绪的事件。
上面内容参考自：
https://www.cnblogs.com/zuofaqi/p/9631601.html
2 poll的原理实现
poll的实现依赖于内核的等待队列。等待队列的原理可以参考这篇文章：
https://blog.csdn.net/oqqYuJi12345678/article/details/106304644
应用层调用poll函数的时候，内核为：
// poll 使用的结构体
struct pollfd {
int fd; // 描述符
short events; // 关注的事件掩码
short revents; // 返回的事件掩码
};
// long sys_poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, long timeout_msecs)
SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds,
long, timeout_msecs)
{
struct timespec end_time, *to = NULL;
int ret;
if (timeout_msecs >= 0) {
to = &end_time;
// 将相对超时时间msec 转化为绝对时间
poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC,
NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC));
}
// do sys poll
ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to);
// do_sys_poll 被信号中断, 重新调用, 对使用者来说 poll 是不会被信号中断的.
if (ret == -EINTR) {
struct restart_block *restart_block;
restart_block = ¤t_thread_info()->restart_block;
restart_block->fn = do_restart_poll; // 设置重启的函数
restart_block->poll.ufds = ufds;
restart_block->poll.nfds = nfds;
if (timeout_msecs >= 0) {
restart_block->poll.tv_sec = end_time.tv_sec;
restart_block->poll.tv_nsec = end_time.tv_nsec;
restart_block->poll.has_timeout = 1;
} else {
restart_block->poll.has_timeout = 0;
}
// ERESTART_RESTARTBLOCK 不会返回给用户进程,
// 而是会被系统捕获, 然后调用 do_restart_poll,
ret = -ERESTART_RESTARTBLOCK;
}
return ret;
} int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
struct timespec *end_time)
{
struct poll_wqueues table;
int err = -EFAULT, fdcount, len, size;
/* 首先使用栈上的空间，节约内存，加速访问 */
long stack_pps[POLL_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
struct poll_list *const head = (struct poll_list *)stack_pps;
struct poll_list *walk = head;
unsigned long todo = nfds;
if (nfds > rlimit(RLIMIT_NOFILE)) {
// 文件描述符数量超过当前进程限制
return -EINVAL;
}
// 复制用户空间数据到内核
len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);
for (;;) {
walk->next = NULL;
walk->len = len;
if (!len) {
break;
}
...................................................（1）
// 复制到当前的 entries
if (copy_from_user(walk->entries, ufds + nfds-todo,
sizeof(struct pollfd) * walk->len)) {
goto out_fds;
}
todo -= walk->len;
if (!todo) {
break;
}
// 栈上空间不足，在堆上申请剩余部分
len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);
size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;
walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!walk) {
err = -ENOMEM;
goto out_fds;
}
}
// 初始化 poll_wqueues 结构, 设置函数指针_qproc 为__pollwait
..................................................................（2）
poll_initwait(&table);
// poll
.....................................................................（3）
fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);
// 从文件wait queue 中移除对应的节点, 释放entry.
poll_freewait(&table);
// 复制结果到用户空间
for (walk = head; walk; walk = walk->next) {
struct pollfd *fds = walk->entries;
int j;
for (j = 0; j < len; j++, ufds++)
.......................................................................（4）
if (__put_user(fds[j].revents, &ufds->revents)) {
goto out_fds;
}
}
err = fdcount;
out_fds:
// 释放申请的内存
walk = head->next;
while (walk) {
struct poll_list *pos = walk;
walk = walk->next;
kfree(pos);
}
return err;
} （1）把用户空间的pollfd 赋值到内核空间，用户 空间的pollfd包含有设置的需要监听的fd和events
（2）初始化 poll的等待队列
void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq)
{
init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
pwq->polling_task = current;
pwq->triggered = 0;
pwq->error = 0;
pwq->table = NULL;
pwq->inline_index = 0;
}__pollwait函数在调用监控文件的poll函数的时候会被回掉到，用来向驱动函数的等待队列头插入该等待队列。
（3）do_poll的详细实现，遍历每个文件描述符实现的poll函数，检查是否该文件有数据可读，如果有数据可读，就返回，否则就把自己插入到驱动的等待队列头中睡眠，直到有数据来杯唤醒
（4）把各个文件描述符poll调用得到的返回事件复制到用户空间，用户空间据此返回值可以来判断文件的状态。
下面接着看do_poll的详细实现：
// 真正的处理函数
static int do_poll(unsigned int nfds, struct poll_list *list,
struct poll_wqueues *wait, struct timespec *end_time)
{
poll_table* pt = &wait->pt;
ktime_t expire, *to = NULL;
int timed_out = 0, count = 0;
unsigned long slack = 0;
if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
// 已经超时,直接遍历所有文件描述符, 然后返回
pt = NULL;
timed_out = 1;
}
if (end_time && !timed_out) {
// 估计进程等待时间，纳秒
slack = select_estimate_accuracy(end_time);
}
// 遍历文件，为每个文件的等待队列添加唤醒函数(pollwake)
for (;;) {
struct poll_list *walk;
for (walk = list; walk != NULL; walk = walk->next) {
struct pollfd * pfd, * pfd_end;
pfd = walk->entries;
pfd_end = pfd + walk->len;
for (; pfd != pfd_end; pfd++) {
// do_pollfd 会向文件对应的wait queue 中添加节点
// 和回调函数(如果 pt 不为空)
// 并检查当前文件状态并设置返回的掩码
-----------------------------------------------------------------（1）
if (do_pollfd(pfd, pt)) {
// 该文件已经准备好了.
// 不需要向后面文件的wait queue 中添加唤醒函数了.
count++;
pt = NULL;
}
}
}
// 下次循环的时候不需要向文件的wait queue 中添加节点,
// 因为前面的循环已经把该添加的都添加了
pt = NULL;
// 第一次遍历没有发现ready的文件
if (!count) {
count = wait->error;
// 有信号产生
if (signal_pending(current)) {
count = -EINTR;
}
}
-----------------------------------------------------------------------（2）
// 有ready的文件或已经超时
if (count || timed_out) {
break;
}
// 转换为内核时间
if (end_time && !to) {
expire = timespec_to_ktime(*end_time);
to = &expire;
}
// 等待事件就绪, 如果有事件发生或超时，就再循
// 环一遍，取得事件状态掩码并计数,
// 注意此次循环中, 文件 wait queue 中的节点依然存在
---------------------------------------------------------------------------（3）
if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) {
timed_out = 1;
}
}
return count;
} （1）调用文件描述符提供的poll方法，可以看到，如果返回的mask不为0，则表示有数据变化，该mask 值作为do_pollfd的返回值不为0，则count++
static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
unsigned int mask;
int fd;
mask = 0;
fd = pollfd->fd;
if (fd >= 0) {
struct fd f = fdget(fd);
mask = POLLNVAL;
if (f.file) {
mask = DEFAULT_POLLMASK;
if (f.file->f_op && f.file->f_op->poll) {
pwait->_key = pollfd->events|POLLERR|POLLHUP;
mask = f.file->f_op->poll(f.file, pwait);
}
/* Mask out unneeded events. */
mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;
fdput(f);
}
}
pollfd->revents = mask;
return mask;
}（2）如果count不为0，或者超时，则poll不会睡眠，直接返回
（3）如果 超时，或者没有数据变化，则睡眠，由于外围函数是个for的死循环，所以醒来以后又会遍历所有的描述符事件，来获取数据以及决定是否跳出poll方法
从上面的实现可以看出，如果应用层要实现poll这样的机制，是需要驱动层来提供自己的poll函数的。下面看一下，驱动层如何实现一个简单的poll方法
3 驱动的poll实现
#include
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#include
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#include
#include
#include
#include
#include "memdev.h"
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while */
{
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;
wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
}
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
/* 唤醒写进程 */
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = true; /* 有新的数据可读 */
/* 唤醒读进程 */
wake_up(&(dev->inq));
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
unsigned int mem_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
unsigned int mask = 0;
/*将等待队列添加到poll_table */
poll_wait(filp, &dev->inq, wait);
if (have_data) mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /* readable */
return mask;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.poll = mem_poll,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
/*初始化等待队列*/
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
//init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].outq));
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit); 其中poll_wait是调用poll_table初始化时赋值的__pollwait函数，该函数为__pollwait，把当前进程插入到该驱动提供的等待队列头中，最后数据到达时，一般会由该驱动来唤醒等待队列头中的进程
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
if (p && p->_qproc && wait_address)
p->_qproc(filp, wait_address, p);
}