Poll 机制的简单分析
参考：韦东山老师视频教程
用户空间应用程序向设备驱动请求数据时，一般有以下几种方式：
1.不断查询，条件不满足的情况下就是死循环，这种情况下非常耗费CPU。
2.休眠唤醒的方式，如果条件不满足，应用程序则一直休眠下去。
3.poll机制，如果条件不满足，休眠指定时间，休眠时间内条件满足唤醒进程，条件一直不满足，达到指定时间，则自动唤醒。
4,异步通知，应用程序注册信号处理函数，驱动程序发信号。
poll在linux内核中的实现过程。
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。
对于系统调用poll或select，他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函数在include/linux/syscalls.h中声明
asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
int timeout);在系统调用表arch\arm\kernel\calls.S中调用
CALL(sys_poll)//系统调用跳转表的一项sys_poll函数位于fs/select.c文件中，SYSCALL_DEFINE3是有3个参数的系统调的宏定义。
SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds,
int, timeout_msecs)
{
struct timespec end_time, *to = NULL;
int ret;
if (timeout_msecs >= 0) {
to = &end_time;
poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC, //对timeout参数稍作处理
NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC));
}
ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to);
}
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,
struct timespec *end_time)
{
poll_initwait(&table);
fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);
poll_freewait(&table);
}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。
void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq)
{
init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
......
}static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)
{
pt->_qproc = qproc;
pt->_key = ~0UL; /* all events enabled */
}static int do_poll(unsigned int nfds, struct poll_list *list,
struct poll_wqueues *wait, struct timespec *end_time)
{
......
for (;;) { //死循环，它的退出条件是if (count || timed_out)为真
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++) {
/*
* Fish for events. If we found one, record it
* and kill poll_table->_qproc, so we don't
* needlessly register any other waiters after
* this. They'll get immediately deregistered
* when we break out and return.
*/
if (do_pollfd(pfd, pt)) { //重点是这里的do_pollfd ，如果这里返回真，则count++，循环退出。
count++;
pt->_qproc = NULL;
}
}
}
/*
* All waiters have already been registered, so don't provide
* a poll_table->_qproc to them on the next loop iteration.
*/
pt->_qproc = NULL;
if (!count) {
count = wait->error;
if (signal_pending(current))
count = -EINTR;
}
if (count || timed_out) //count非0，表示上文中的do_pollfd至少有一个成功。timeout超时以后也退出循环。
break;
/*
* 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.
*/
if (end_time && !to) {
expire = timespec_to_ktime(*end_time);
to = &expire;
}
if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) //让本进程休眠一段时间
timed_out = 1;
}
return count;
}
在程序的最后调用poll_schedule_timeout,让本进程休眠一段时间，注意应用程序执行poll调用后，如果timeout没超时或者count为0则进程会进入休眠。那么谁会唤醒进程呢？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----这点要记住，这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因，后面分析。
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)
{
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);//关键点，调用到了驱动中注册的poll函数
}
/* Mask out unneeded events. */
mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;
fdput(f);
}
}
pollfd->revents = mask;
return mask;
}可见，就是在do_pollfd函数中调用到了我们驱动中注册的poll函数。
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，poll_wait函数代码如下：
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);
}
上面的分析我们知道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，
/* Add a new entry */
static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
poll_table *p)
{
struct poll_wqueues *pwq = container_of(p, struct poll_wqueues, pt);
struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
if (!entry)
return;
entry->filp = get_file(filp);
entry->wait_address = wait_address;
entry->key = p->_key;
init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake);
entry->wait.private = pwq;
add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}执行到驱动的poll_wait函数时，进程并没有休眠，我们的驱动程里实现的poll函数是不会引起进程休眠的，让进程进入休眠的是前面分析的do_poll函数中的poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)函数。
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>我们驱动中自己写的poll函数后，再调用poll_schedule_timeout函数让本进程进入休眠。如果我们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：
现在来总结一下poll机制：
1.poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait , poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait,他就是我们驱动程序执行poll_wait时，真正被调用的函数。
2.接下来执行file->fop->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，这个队列也是我们自己驱动定义的。它还判断一下设备是否就绪。
3.如果设备没有就绪，do_sys_poll里会让进程休眠一段时间，这个时间是应用层传进来的超时时间。
4.进程被唤醒的条件有2：一是上面说的超时间到了，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pollwait把本进程挂进去的队列。
再来回顾一遍调用流程：
【app：】
poll();
【kernel:】
sys_poll
do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,struct timespec *end_time)
poll_initwait(&table);
init_poll_funcptr(&table->pt, __pollwait);-->pt->qproc = __pollwait; //初始化qproc函数指针，让他指向__pollwait函数
do_poll(nfds, head, &table, end_time);
for(;;)
{
for (; pfd != pfd_end; pfd++) //查询多个驱动程序
{
if (do_pollfd(pfd, pt)) -> mask = file->f_op->poll(file, pwait);return mask; 驱动里边的xxx_poll()函数分析
xxx_poll(struct file *file, poll_table *wait)
poll_wait(file, &xxxx_waitq, wait);
//
static inline 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); //调用之前poll_initwait()函数设置的函数qproc即__pollwait，__pollwait函数只是把当前进程挂到等待队列，只是add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);不进入休眠
} 看一下驱动程序：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include //class_create
#include //S3C2440_GPF1
#include
#include //wait_event_interruptible
#include
#include //poll
/* 定义并初始化等待队列头 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);
static struct class *buttondev_class;
static struct device *buttons_device;
static struct pin_desc{
unsigned int pin;
unsigned int key_val;
};
static struct pin_desc pins_desc[4] = {
{S3C2410_GPF1,0x01}, //S3C2410_GPF1是对GPF1引脚这种“设备”的编号dev_id
{S3C2410_GPF4,0x02},
{S3C2410_GPF2,0x03},
{S3C2410_GPF0,0x04},
};
static int ev_press = 0;
static unsigned char key_val;
int major;
/* 中断处理函数 */
static irqreturn_t handle_irq(int irq, void *dev_id)
{
struct pin_desc *irq_pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;//
unsigned int pinval;
pinval = s3c2410_gpio_getpin(irq_pindesc->pin);//获取按键值:有按键按下返回按键值0
/* 键值: 按下时, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
/* 键值: 松开时, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
if(pinval)
{
/* 松开 */
key_val = 0x80 | (irq_pindesc->key_val);
}
else
{
/* 按下 */
key_val = irq_pindesc->key_val;
}
ev_press = 1; /* 表示中断已经发生 */
wake_up_interruptible(&button_waitq); /* 唤醒休眠的进程 */
return IRQ_HANDLED;
}
static int buttons_dev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
/* K1-EINT1,K2-EINT4,K3-EINT2,K4-EINT0
* 配置GPF1、GPF4、GPF2、GPF0为相应的外部中断引脚
* IRQT_BOTHEDGE应该改为IRQ_TYPE_EDGE_BOTH
*/
request_irq(IRQ_EINT1, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K1",&pins_desc[0]);
request_irq(IRQ_EINT4, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K2",&pins_desc[1]);
request_irq(IRQ_EINT2, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K3",&pins_desc[2]);
request_irq(IRQ_EINT0, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K4",&pins_desc[3]);
return 0;
}
static int buttons_dev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
free_irq(IRQ_EINT1,&pins_desc[0]);
free_irq(IRQ_EINT4,&pins_desc[1]);
free_irq(IRQ_EINT2,&pins_desc[2]);
free_irq(IRQ_EINT0,&pins_desc[3]);
return 0;
}
static ssize_t buttons_dev_read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t *ppos)
{
if (size != 1)
return -EINVAL;
//wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);//使用poll机制，这里就不需要再判断要不要进入睡眠了。
copy_to_user(user, &key_val, 1);
/* 将ev_press清零 */
ev_press = 0;
return 1;
}
//关键点///
static unsigned int buttons_dev_poll(struct file *file, poll_table *wait) //该函数一旦被调用就触发poll机制
{
unsigned int mask = 0;
/* 该函数，只是将进程挂在button_waitq队列上，而不是立即休眠 */
poll_wait(file, &button_waitq, wait);
/***
* 假设进程还poll在上面这一函数里边，尚未超时，假设此时有中断到来，中断处理程序将ev_press置位,然后唤醒休眠队列上对应的进程
***/
/* 进程唤醒之后，立马往下执行。唤醒的可能原因：超时/中断处理 */
if(ev_press)
{
mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /* 有数据可读 */
}
/* 如果有按键按下时，mask |= POLLIN | POLLRDNORM,否则mask = 0 */
return mask;
}
///
/* File operations struct for character device */
static const struct file_operations buttons_dev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = buttons_dev_open,
.read = buttons_dev_read,
.release = buttons_dev_close,
.poll = buttons_dev_poll,
};
/* 驱动入口函数 */
static int buttons_dev_init(void)
{
/* 主设备号设置为0表示由系统自动分配主设备号 */
major = register_chrdev(0, "buttons_dev", &buttons_dev_fops);
/* 创建buttondev类 */
buttondev_class = class_create(THIS_MODULE, "buttondev");
/* 在buttondev类下创建buttons设备，供应用程序打开设备*/
buttons_device = device_create(buttondev_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons");//
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void buttons_dev_exit(void)
{
unregister_chrdev(major, "buttons_dev");
device_unregister(buttons_device); //卸载类下的设备
class_destroy(buttondev_class); //卸载类
}
/* 模块加载和卸载函数的修饰 */
module_init(buttons_dev_init);
module_exit(buttons_dev_exit);
MODULE_AUTHOR("CLBIAO");
MODULE_DESCRIPTION("Just for Demon");
MODULE_LICENSE("GPL"); //遵循GPL协议 再看一下测试程序：
/* 文件的编译指令是arm-linux-gcc -static -o app_poll app_poll.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
/* fourth_test
*/
int main(int argc ,char *argv[])
{
int fd;
unsigned char key_val;
struct pollfd fds;
int ret;
fd = open("/dev/buttons",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("open error\n");
}
fds.fd = fd;//查询的文件
fds.events = POLLIN; //期待收到poll_in值，表示有数据
while(1)
{
/* A value of 0 indicates that the call timed out and no file descriptors were ready
* poll函数返回0时，表示5s时间到了，而这段时间里，没有事件发生"数据可读"
*/
ret = poll(&fds,1,5000);
if(ret == 0)
{
printf("time out\n");
}
else /* 如果没有超时，则读出按键值 */
{
read(fd,&key_val,1);
printf("key_val = 0x%x\n",key_val);
}
}
return 0;
}