从零开始之驱动发开、linux驱动（十七、select机制）
上一节分析了poll的原理和实现，这节分析它的孪生兄弟select。
先看一下select的函数原型。
man 2 selectint select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
#undef __FD_SETSIZE
#define __FD_SETSIZE 1024
/*fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作,总共1024个bit,即代表select最多可监控1024个文件的状态 */
typedef struct {
unsigned long fds_bits[__FD_SETSIZE / (8 * sizeof(long))];
} __kernel_fd_set;
typedef __kernel_fd_set fd_set;
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); /* 将一个给定的文件描述符从集合中删除*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); /* 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 */
void FD_SET(int fd, fd_set *set); /* 将一个给定的文件描述符加入集合之中 */
void FD_ZERO(fd_set *set); /* 清空集合FD_ZERO(fd_set *) */
第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数
它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2…maxfdp1-1均将被测试。 因为文件描述符是从0开始的，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。。
fd_set *readset
fd_set *writeset
fd_set *exceptset
中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。
如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符。
struct timeval {
__kernel_time_t tv_sec; /* seconds */
__kernel_suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
struct timeval * timeout
这个参数有三种可能
1.永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。
2．等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。
3.根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。
和poll一样select也是做查询使用的，select中在timeout参数为NULL时，比表示select以阻塞方式，必须等到监控文件的读写或异常时间发送才可以退出。在timeout重的两个时间参数都为0时，和poll就一样了，即变成一个纯粹的非阻塞函数，进入系统调用，查询一遍监控文件状态，如果有可读或可写或异常的则返回大于0的值，否则不睡眠，直接返回。第三种就是timeout结构里的事件大于0，即调用select先查询一遍，如果有可读或可写或异常的则返回大于0的值，否则睡眠timeout事件。当然，这里的timeout中小于一次调度的时间，就只能用来不停的查询了，不能用于睡眠了。
接下来我们来分析一下select的实现
SYSCALL_DEFINE5(select, int, n, fd_set __user *, inp, fd_set __user *, outp,
fd_set __user *, exp, struct timeval __user *, tvp)
{
struct timespec end_time, *to = NULL;
struct timeval tv;
int ret;
if (tvp) {
if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv))) /* 如果时间不为NULL,则从应用空间拷贝到内核空间 */
return -EFAULT;
/* 对传入的时间,解析成struct timespec格式 */
to = &end_time;
if (poll_select_set_timeout(to,
tv.tv_sec + (tv.tv_usec / USEC_PER_SEC),
(tv.tv_usec % USEC_PER_SEC) * NSEC_PER_USEC))
return -EINVAL;
}
/* 处理核心的select函数 */
ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);
/* 如果不是超时返回的,则说明超时时间还没到, 则拷贝还剩的时间到用户空间的timeval中*/ */
ret = poll_select_copy_remaining(&end_time, tvp, 1, ret);
return ret;
}
typedef struct {
unsigned long *in, *out, *ex;
unsigned long *res_in, *res_out, *res_ex;
} fd_set_bits;
/*
* We can actually return ERESTARTSYS instead of EINTR, but I'd
* like to be certain this leads to no problems. So I return
* EINTR just for safety.
*
* Update: ERESTARTSYS breaks at least the xview clock binary, so
* I'm trying ERESTARTNOHAND which restart only when you want to.
*/
int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
fd_set __user *exp, struct timespec *end_time)
{
fd_set_bits fds;
void *bits;
int ret, max_fds;
unsigned int size;
struct fdtable *fdt;
/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be faster */
/* 正如上面注释所说,在参数较少的情况下,使用局部变量栈内存可以提高效率 64 = 256 / 4 */
long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
ret = -EINVAL;
if (n < 0)
goto out_nofds;
/* max_fds can increase, so grab it once to avoid race */
rcu_read_lock();
fdt = files_fdtable(current->files); /* 获取当前进程的文件描述符表 */
max_fds = fdt->max_fds; /* 并得到当前进程最大打开的文件数 */
rcu_read_unlock();
if (n > max_fds) /* 如果传进来要检查的文件个数大于最大打开的,则只检查最多打开的文件数 */
n = max_fds;
/*
* We need 6 bitmaps (in/out/ex for both incoming and outgoing),
* since we used fdset we need to allocate memory in units of
* long-words.
* 以一个文件描述符占一bit来计算，传递进来的这些fd_set需要用掉多少个long words
*/
size = FDS_BYTES(n);
bits = stack_fds;
if (size > sizeof(stack_fds) / 6) { /* 每个fd_set_bits占用6个指针(指针和long字节数相等,如果默认的256个字节的不够,则用malloc申请,如果足够则就用栈中的) */
/* Not enough space in on-stack array; must use kmalloc */
ret = -ENOMEM;
bits = kmalloc(6 * size, GFP_KERNEL);
if (!bits)
goto out_nofds;
}
/* 对比上面的结构体原型就知道这里是给每个指针分配起始地址 */
fds.in = bits;
fds.out = bits + size;
fds.ex = bits + 2*size;
fds.res_in = bits + 3*size;
fds.res_out = bits + 4*size;
fds.res_ex = bits + 5*size;
/* 如果用户空间有传查询文件的,读或写或异常情况,则把其拷贝到内核空间,
* 如果传入的是NULL,则把fds中的该项清0,如果三个都是NULL,则表示什么都不查询,则直接退出*/
if ((ret = get_fd_set(n, inp, fds.in)) ||
(ret = get_fd_set(n, outp, fds.out)) ||
(ret = get_fd_set(n, exp, fds.ex)))
goto out;
/* 清0,fds的返回空间 */
zero_fd_set(n, fds.res_in);
zero_fd_set(n, fds.res_out);
zero_fd_set(n, fds.res_ex);
/* 执行select,分贝传入 最大文件描述+1,保存有查询的文件状态地址的fds,超时时间 */
ret = do_select(n, &fds, end_time);
/* 错误 */
if (ret < 0)
goto out;
/* 判断是不是收到了信号,如果是,表示该系统调用被信号打断,返回-ERESTARTNOHAND,表明要求重新这个系统调用 */
if (!ret) {
ret = -ERESTARTNOHAND;
if (signal_pending(current))
goto out;
ret = 0;
}
/* 查询结果,返回给用户空间 */
if (set_fd_set(n, inp, fds.res_in) ||
set_fd_set(n, outp, fds.res_out) ||
set_fd_set(n, exp, fds.res_ex))
ret = -EFAULT;
out:
if (bits != stack_fds)
kfree(bits); /* 如果256个字节不够,动态申请要在这里用完后释放掉 */
out_nofds:
return ret;
}
int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
{
ktime_t expire, *to = NULL;
struct poll_wqueues table;
poll_table *wait;
int retval, i, timed_out = 0;
unsigned long slack = 0;
unsigned int busy_flag = net_busy_loop_on() ? POLL_BUSY_LOOP : 0;/* 当前网络是不是在忙等,忙等后面就不能睡眠 */
unsigned long busy_end = 0;
rcu_read_lock();
retval = max_select_fd(n, fds); /* 获取最大文件描述符 */
rcu_read_unlock();
if (retval < 0)
return retval;
n = retval;
poll_initwait(&table); /* 初始化poll_wqueues(见我上节的poll分析) */
wait = &table.pt;
if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
wait->_qproc = NULL; /* 如果传入时间为0,则非阻塞查询完则退出 */
timed_out = 1;
}
if (end_time && !timed_out)
slack = select_estimate_accuracy(end_time); /* 估计需要等待的时间. */
retval = 0;
for (;;) {
unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;
bool can_busy_loop = false;
inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;
/* 遍历所有的描述符, i 文件描述符 */
for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;
unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;
in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
/* 检查当前的fds中一个solt的描述符 */
all_bits = in | out | ex;
if (all_bits == 0) {
i += BITS_PER_LONG; /* 没有需要监听的描述符,就查看下一个solt */
continue;
}
/* 描述符使用bit表示的solt 表示一个long里有多少个bit(BITS_PER_LONG) */
for (j = 0; j < BITS_PER_LONG; ++j, ++i, bit <<= 1) {
struct fd f;
if (i >= n)
break;
/* 不需要监听描述符 j */
if (!(bit & all_bits))
continue;
/* 取得文件结构 */
f = fdget(i);
if (f.file) {
const struct file_operations *f_op;
f_op = f.file->f_op;
/* 没有 f_op 的话就认为一直处于就绪状态 */
mask = DEFAULT_POLLMASK;
if (f_op->poll) {
/* 设置等待事件的掩码 */
wait_key_set(wait, in, out,
bit, busy_flag);
/* 获取当前的就绪状态, 并添加到文件的对应等待队列中 */
mask = (*f_op->poll)(f.file, wait);
}
fdput(f); // 释放文件 对应fdget
/* 检查文件 i 是否已有可读事件就绪 */
if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
res_in |= bit;
retval++;
wait->_qproc = NULL;
/* 检查文件 i 是否已有可写事件就绪 */
if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
res_out |= bit;
retval++;
// 如果已有就绪事件就不再向其他文件的
// 等待队列中添加回调函数
wait->_qproc = NULL;
}
/* 检查文件 i 是否已有异常事件 */
if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
res_ex |= bit;
retval++;
wait->_qproc = NULL;
}
/* got something, stop busy polling */
if (retval) {
can_busy_loop = false;
busy_flag = 0;
/*
* only remember a returned
* POLL_BUSY_LOOP if we asked for it
*/
} else if (busy_flag & mask)
can_busy_loop = true;
}
}
if (res_in)
*rinp = res_in;
if (res_out)
*routp = res_out;
if (res_ex)
*rexp = res_ex;
cond_resched();
}
wait->_qproc = NULL;
//监听事件就绪、超时、信号发生
if (retval || timed_out || signal_pending(current))
break;
if (table.error) {
retval = table.error;
break;
}
/* only if found POLL_BUSY_LOOP sockets && not out of time */
if (can_busy_loop && !need_resched()) {
if (!busy_end) {
busy_end = busy_loop_end_time();
continue;
}
if (!busy_loop_timeout(busy_end))
continue;
}
busy_flag = 0;
/*
* If this is the first loop and we have a timeout
* given, then we convert to ktime_t and set the to
* pointer to the expiry value. 转换到内核时间
*/
if (end_time && !to) {
expire = timespec_to_ktime(*end_time);
to = &expire;
}
/* 等待直到超时, 或由回调函数唤醒, 超时后会再次遍历文件描述符(这次不管是否查询到时间,time_out = 1了,都会退出)*/
if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE,
to, slack))
timed_out = 1;
}
/* 从等待队列中删除table中的等待项,如果驱动的poll函数调用了poll_wait,并且里面动态申请了内存,也会在这里释放 */
poll_freewait(&table);
return retval;
}
可以看到，select和poll的调用基本是一样的，实现也是类似的。
其中select最多只能查询1024个文件的状态，而poll没有这个限制
poll和select的实现基本上是一致的，只是传递参数有所不同，他们的基本流程如下：
1. 复制用户数据到内核空间
2. 估计超时时间
3. 遍历每个文件并调用f_op->poll 取得文件当前就绪状态， 如果前面遍历的文件都没有就绪，向文件插入wait_queue节点
4. 遍历完成后检查状态：
a). 如果已经有就绪的文件转到5；
b). 如果有信号产生，重启poll或select（转到 1或3）；
c). 否则挂起进程等待超时或唤醒，超时或被唤醒后再次遍历所有文件取得每个文件的就绪状态
5. 将所有文件的就绪状态复制到用户空间
6. 清理申请的资源
接下来看一下测试程序。
驱动
#include /* 包含file_operation结构体 */
#include /* 包含module_init module_exit */
#include /* 包含LICENSE的宏 */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include /* For wait_event_interruptible */
#include
#include
#include
static unsigned int major;
static struct class *button_class;
static struct device *button_dev;
static unsigned char key_val;
/* 定义一个等待队列的头 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_wait_q);
/* 定义一个事件标志 */
static volatile int ev_press = 0;
struct pin_desc {
unsigned int pin;
unsigned int key_val;
};
/* 按下时 值分别是 0x01 , 0x02 */
/* 松开时 值分别是 0x00 , 0x00 */
static struct pin_desc pins_desc[] = {
{S5PV210_GPH0(2), 0x01},
{S5PV210_GPH0(3), 0x02},
};
static irqreturn_t irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
struct pin_desc *p = dev_id;
int pin_val;
pin_val = gpio_get_value(p->pin);
/* 得到键值,判断时按下还是松开 */
if(pin_val)
{
/* 松开 */
key_val &= ~p->key_val;
}
else
{
/* 按下 */
key_val |= p->key_val;
}
/* 标记有事件发生 */
ev_press = 1;
/* 唤醒该等待队列 */
wake_up_interruptible(&button_wait_q);
return IRQ_HANDLED;
}
/* open函数 申请中断 */
static int button_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int ret = 0;
ret = request_irq(IRQ_EINT(2), irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING|IRQF_TRIGGER_FALLING, "irq-eint2",&pins_desc[0]);
if(ret)
{
printk(KERN_ERR"request_irq IRQ_EINT(2) fail");
}
ret = request_irq(IRQ_EINT(3), irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING|IRQF_TRIGGER_FALLING, "irq-eint3",&pins_desc[1]);
if(ret)
{
printk(KERN_ERR"request_irq IRQ_EINT(3) fail");
}
return 0;
}
static ssize_t button_drv_read(struct file *file, char __user *array, size_t size, loff_t *ppos)
{
int len;
if(size < 1)
{
return -EINVAL;
}
/* 赋值只是为了消除告警 */
len = copy_to_user(array , &key_val, 1);
/* 清除中断事件标志 */
ev_press = 0;
return 1;
}
static unsigned int button_drv_poll(struct file *file, struct poll_table_struct * wait)
{
int mask = 0;
/* 将进程挂在button_waitq队列上，不是在这里休眠 */
poll_wait(file, &button_wait_q, wait);
if(ev_press)
{
mask = POLLIN | POLLRDNORM; /* 有可读事件 */
}
return mask;
}
/* 释放中断 */
static int button_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
free_irq(IRQ_EINT(2), &pins_desc[0]);
free_irq(IRQ_EINT(3), &pins_desc[1]);
return 0;
}
static const struct file_operations button_drv_file_operation = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = button_drv_open,
.read = button_drv_read,
.poll = button_drv_poll,
.release = button_drv_close,
};
static int __init button_drv_init(void)
{
/* 获取一个自动的主设备号 */
major = register_chrdev(0,"button_drv",&button_drv_file_operation);
if(major < 0)
{
printk(KERN_ERR"register_chrdev button_drv fail \n");
goto err_register_chrdev;
}
/* 创建一个类 */
button_class = class_create(THIS_MODULE, "button_class");
if(!button_class)
{
printk(KERN_ERR"class_create button_class fail\n");
goto err_class_create;
}
/* 创建从属这个类的设备 */
button_dev = device_create(button_class,NULL,MKDEV(major, 0), NULL, "button");
if(!button_dev)
{
printk(KERN_ERR"device_create button_dev fail \n");
goto err_device_create;
}
return 0;
/* 倒影式错误处理机制 */
err_device_create:
class_destroy(button_class);
err_class_create:
unregister_chrdev(major,"button_drv");
err_register_chrdev:
return -EIO;
}
static void __exit button_drv_exit(void)
{
/* 注销类里面的设备 */
device_unregister(button_dev);
/* 注销类 */
class_destroy(button_class);
/* 注销字符设备 */
unregister_chrdev(major,"button_drv");
}
module_init(button_drv_init);
module_exit(button_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL"); 应用
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc,char *argv[])
{
char buf[2];
int ret;
int maxfd;
int timecount;
fd_set rfds, temps;//设置监听读集合
struct timeval tv;//设置等待时间，0不等待，NULL一直等待。
int fd = open("/dev/button", O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("open /dev/%s fail\n",argv[1]);
return -1;
}
FD_ZERO(&rfds);//清空集合
FD_SET(fd, &rfds);//把标准输入句柄0加入到集合中
maxfd = fd + 1;
timecount = 0;
while(1)
{
temps = rfds;
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;//设置等待时间5s
/* 查询fd文件的读事件是否准备好,没准备好则休眠5s */
ret = select(maxfd, &temps, NULL, NULL, &tv);
/* 查询fd文件的读事件是否准备好,没准备好则睡眠,直至准备好 */
//ret = select(maxfd, &temps, NULL, NULL, NULL);
tv.tv_sec = 0;
tv.tv_usec = 0;//设置等待时间0s
/* 查询fd文件的读事件是否准备好,无论是否准备好都立即返回 */
//ret = select(maxfd, &temps, NULL, NULL, &tv);
if(ret<0)
{
printf("select error, process will eixt\n");
break;
}
else if(0 == ret)
{
timecount++;
printf("\ntime out: %d\n", timecount);
}
else
{
if(FD_ISSET(fd, &rfds))//测试是否有数据
{
read(fd, buf, 1);
printf("buf = %d\n", buf[0]);
}
}
}
close(fd);
return 0;
}
可以知道poll和select的功能基本是是一样的。