【linux学习笔记】非阻塞IO轮询(也叫IO复用)
本部分是本人学习linux的学习笔记，本人系菜鸟一枚，如有错误欢迎指正。个人邮箱：[email protected]
一. 非阻塞操作
非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，并不挂起，它或者放弃，或者不停地查询，直至可以进行操作为止。这就是我们常说的“轮询”。这是一种比较浪费CPU的方式。但是可以通过信号等方式以异步的形式提高CPU的利用率。
使用非阻塞I/O 的应用程序可借助轮询函数来查询设备是否能立即被访问，用户空间调用select()、poll()和epoll()接口，设备驱动提供poll()函数。设备驱动的poll()本身不会阻塞(但是在内核中会休眠，后面会看到)，但是poll()、select()和epoll()系统调用则会阻塞地等待文件描述符集合中的至少一个可访问或超时。
(今天在看 设备驱动开发详解 的时候看懵了，poll机制是阻塞且同步的操作，为什么在这里变成了非阻塞的了呢？后来想想明白了：原因是select函数返回之后再去调用相应的系统调用，实现的就是非阻塞操作…哈哈哈哈)
二. 设备驱动中的轮询编程
设备驱动中poll()函数的原型是：
unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table *wait);
第一个参数为file结构体指针，第二个参数为轮询表指针。
该函数进行两项工作：
（1） 对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait()函数，将对应的等待队列添加到poll_table
（2） 返回表示是否能对设备进行无阻塞读、写访问的掩码。
返回值
说明
POLLIN 普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM 普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI 高优先级数据可读
POLLOUT 普通数据可写
POLLWRNORM 写普通数据不会导致阻塞
POLLWRBAND 优先级带数据可写
POLLERR 发生错误
POLLHUP 发生挂起
POLLNVAL 描述字不是一个打开的文件
用于向poll_table注册等待队列的poll_wait()函数原型如下：
static inline void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *queue, poll_table *wait)
{
if(wait && wait->qproc && queue)
wait->qproc(filp, queue, wait);
}
作用：
将当前进程添加到wait参数指定的等待队列(poll_table)中
设备驱动中poll()函数的典型模板
static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
unsigned int mask = 0;
struct xxx_dev *dev = filp->private_data; /* 获得设备结构体指针 */
...
poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); /* 加入读等待队列 */
poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait); /* 加入写等待队列 */
if (...) /* 可读 */
mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /* 标示数据可获得（对用户可读） */
if (...) /* 可写 */
mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; /* 标示数据可写入 */
...
return mask;
}
三. 从内核态分析poll机制
从应用程序直接调用poll函数,系统会走以下流程
app:poll() / select()
kernel:
SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd _user*, ufds, unsigned int, nfds, int, timeout_msecs)
--> do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, struct timespec *end_time)
--> poll_initwait(&table);
--> init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
--> pt->_qproc = __pollwait; ==>定义等待队列，并将该进程添加到等待队列队头中。对应驱动函数中的poll_wait()。
/*1.这部分显示初始化等待队列*/
-->fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);
--> for (; pfd != pfd_end; pfd++) /* 可以监测多个驱动设备所产生的事件 */
{
do_pollfd(pfd, pt)
-->mask = file->f_op->poll(file, pwait); > 实际效果：执行我们写的drivers_poll(file,wait)
return mask; /* 返回事件类型 */
}
/*2.查询各个fd下是否有事件发生*/
if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) /* 如果没有事件发生，那么陷入休眠状态 */
--> int poll_sechedule_timeout (struct poll_wqueues* pwq, int state, ktime_t *expires, unsigned long slack)
{
...
set_current_state(state);
schedule_hrtimeout_rang() ⇒ schedule();//进程调度，使得该进程休眠
__set_current_state(TASK_RUNNING);//唤醒该进程
...
}
--> poll_freewait(&table)
--> free_poll_entry()
--> remove_wait_queue() //移除等待队列
}
在内核中大致上实现过程：
当应用程序调用poll函数的时候，会调用到系统调用sys_poll函数，该函数最终调用do_poll函数，do_poll函数中有一个死循 环，在里面又会利用do_pollfd函数去调用驱动中的poll函数（fds中每个成员的字符驱动程序都会被扫描到），驱动程序中的Poll函数的工作 有两个，一个就是调用poll_wait 函数，把进程挂到等待队列中去（这个是必须的，你要睡眠，必须要在一个等待队列上面，否则到哪里去唤醒你呢？？），另一个是确定相关的fd是否有内容可 读，如果可读，就返回1，否则返回0，如果返回1 ，do_poll函数中的count++， 然后 do_poll函数然后判断三个条件（if (count ||!timeout || signal_pending(current))）如果成立就直接跳出，如果不成立，就睡眠timeout个jiffes这么长的时间（调用schedule_timeout实现睡眠），如果在这段时间内没有其他进程去唤醒它，那么第二次执行判断的时候就会跳出死循环。如果在这段时间内有其他进程唤醒它，那么也可以跳出死循环返回（例如我们可以利用中断处理函数去唤醒它，这样的话一有数据可读，就可以让它立即返回）。
poll机制分析
韦东山2009.12.10
所有的系统调用，基于都可以在它的名字前加上“sys_”前缀，这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用open、read、write、poll，与之对应的内核函数为：sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。
一、内核框架：
对于系统调用poll或select，它们对应的内核函数都是sys_poll。分析sys_poll，即可理解poll机制。
1. sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：
asmlinkagelong sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
long timeout_msecs)
{
s64 timeout_jiffies;
if (timeout_msecs > 0) {
#ifHZ > 1000
/* We can only overflow if HZ >1000 */
if (timeout_msecs / 1000 >(s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)
timeout_jiffies = -1;
else
#endif
timeout_jiffies =msecs_to_jiffies(timeout_msecs);
} else {
/* Infinite (< 0) or no (0)timeout */
timeout_jiffies = timeout_msecs;
}
return do_sys_poll(ufds,nfds, &timeout_jiffies);
}
它对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。
2.do_sys_poll函数也位于位于fs/select.c文件中，我们忽略其他代码：
int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)
{
……
poll_initwait(&table);
……
fdcount = do_poll(nfds, head,&table, timeout);
……
}
poll_initwait函数非常简单，它初始化一个poll_wqueues变量table：
poll_initwait> init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); > pt->qproc = qproc;
即table->pt->qproc= __pollwait，__pollwait将在驱动的poll函数里用到。
3. do_sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：
static int do_poll(unsigned int nfds, struct poll_list *list,
struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)
{
01 ……
02 for (;; ){
03 ……
04 if(do_pollfd(pfd, pt)) {
05 count++;
06 pt = NULL;
07 }
08 ……
09 if(count || !*timeout || signal_pending(current))
10 break;
11 count= wait->error;
12 if(count)
13 break;
14
15 if(*timeout < 0) {
16 /*Wait indefinitely */
17 __timeout= MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
18 }else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {
19 /*
20 * Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in
21 * a loop
22 */
23 __timeout= MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;
24 *timeout-= __timeout;
25 }else {
26 __timeout= *timeout;
27 *timeout= 0;
28 }
29
30 __timeout= schedule_timeout(__timeout); // 休眠时间由应用提供
31 if(*timeout >= 0)
32 *timeout+= __timeout;
33 }
34 __set_current_state(TASK_RUNNING);
35 returncount;
36 }
分析其中的代码，可以发现，它的作用如下：
1）从02行可以知道，这是个循环，它退出的条件为：
-
09行的3个条件之一(count非0，超时、有信号等待处理)
count顺0表示04行的do_pollfd至少有一个成功。 -
11、12行：发生错误
2）重点在do_pollfd函数，后面再分析
3）第30行，让本进程休眠一段时间，注意：应用程序执行poll调用后，如果①②的条件不满足，进程就会进入休眠。那么，谁唤醒呢？除了休眠到指定时间被系统唤醒外，还可以被驱动程序唤醒──记住这点，这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因，后面分析。
4.do_pollfd函数位于fs/select.c文件中，代码如下：
static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd*pollfd, poll_table *pwait)
{
……
if(file->f_op && file->f_op->poll)
mask= file->f_op->poll(file, pwait);
……
}
可见，它就是调用我们的驱动程序里注册的poll函数。
二、驱动程序：
驱动程序里与poll相关的地方有两处：一是构造file_operation结构时，要定义自己的poll函数。二是通过poll_wait来调用上面说到的__pollwait函数，pollwait的代码如下：
staticinline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address,poll_table *p)
{
if (p && wait_address)
p->qproc(filp, wait_address, p);
}
p->qproc就是__pollwait函数，从它的代码可知，它只是把当前进程挂入我们驱动程序里定义的一个队列里而已。它的代码如下：
staticvoid __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
poll_table *p)
{
struct poll_table_entry *entry =poll_get_entry(p);
if (!entry)
return;
get_file(filp);
entry->filp = filp;
entry->wait_address = wait_address;
init_waitqueue_entry(&entry->wait,current);
add_wait_queue(wait_address,&entry->wait);
}
执行到驱动程序的poll_wait函数时，进程并没有休眠，我们的驱动程序里实现的poll函数是不会引起休眠的。让进程进入休眠，是前面分析的do_sys_poll函数的30行“__timeout = schedule_timeout(__timeout)”。
poll_wait只是把本进程挂入某个队列，应用程序调用poll > sys_poll> do_sys_poll > poll_initwait，do_poll > do_pollfd > 我们自己写的poll函数后，再调用schedule_timeout进入休眠。如果我们的驱动程序发现情况就绪，可以把这个队列上挂着的进程唤醒。可见，poll_wait的作用，只是为了让驱动程序能找到要唤醒的进程。即使不用poll_wait，我们的程序也有机会被唤醒：chedule_timeout(__timeout)，只是休眠__time_out这段时间。
现在来总结一下poll机制：
-
poll > sys_poll > do_sys_poll >poll_initwait，poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait，它就是我们的驱动程序执行poll_wait时，真正被调用的函数。
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接下来执行file->f_op->poll，即我们驱动程序里自己实现的poll函数
它会调用poll_wait把自己挂入某个队列，这个队列也是我们的驱动自己定义的；
它还判断一下设备是否就绪。
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如果设备未就绪，do_sys_poll里会让进程休眠一定时间，这个时间是应用提供的“超时时间”
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进程被唤醒的条件有2：一是上面说的“一定时间”到了，二是被驱动程序唤醒。驱动程序发现条件就绪时，就把“某个队列”上挂着的进程唤醒，这个队列，就是前面通过poll_wait把本进程挂过去的队列。
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如果驱动程序没有去唤醒进程，那么schedule_timeout(__timeout)超时后，会重复2、3动作1次，直到应用程序的poll调用传入的时间到达， 然后返回。