Linux驱动进阶(二)——设备驱动中的阻塞和同步机制

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前言

阻塞和非阻塞是设备访问的两种基本方式。使用这两种方式，驱动程序可以灵活地支持阻塞与非阻塞访问。在写阻塞与非阻塞的驱动程序时，经常用到等待队列，所有本章将对等待队列进行简要介绍。

阻塞与非阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有得到结果之后才会返回。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上它们是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。
非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select()就是这样的一个例子。下面是调用select()函数进入阻塞的一个例子。

void main()
{
	FILE *fp;
	struct fd_set fds;
	struct timeval timeout={4, 0}; //select()函数等待4s，4s后轮询
	char buffer[256]={0};  //256字节的缓冲区
	fp = fopen(....);     //打开文件
 	while(1)
 	{
		FD_ZERO(&fds);  //清空集合
		FD_SET(fp, &fds);  //同上
		maxfdp=fp+1;   //描述符最大值加1
		switch(select(maxfdp, &fds, &fds, NULL, &timeout)) //select函数使用
		{
			case -1:
				exit(-1);
				break;   //select()函数错误，退出程序
			case 0:
				break;  //再次轮询
			default:
				if(FD_ISSET(fp, &fds)) //判断是否文件中有数据
				{
					read(fds, buffer, 256, ...); //接受文件数据
					if(FD_ISSET(fp, &fds)) //测试文件是否可写
					fwrite(fp, buffer...); //写入文件buffer清空
				}
		}
	}
}

等待队列

本节将介绍驱动程序编程中常用的等待队列机制。这种机制使等待的进程暂时睡眠，当等待的信号到来时，便唤醒等待队列中进程继续执行。本节将详细介绍等待队列的内容。

等待队列概述

在Linux驱动程序中，阻塞进程可以使用等待队列(Wait Queue)来实现。由于等待队列很有用，在Linux2.0的时代，就已经引入了等待队列机制。等待队列的基本数据结构是一个双向链表，这个链表存储睡眠的进程。等待队列也与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中异步事件通知机制。等待队列可以用来同步对系统资源的访问。例如，当完成一项工作之后，才允许完成另一项工作。
在内核中，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理、进程同步、定时等场合。可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中的异步事件通知机制，同步对系统资源的访问等。

等待队列的实现

根据不同的平台，其提供的指令代码有所不同，所以等待队列的实现也有所不同。在Linux中，等待队列的定义如下代码所示。

struct __wait_queue_head{
	spinlock_t lock;
	struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

下面详细介绍该结构体中的各个成员变量。
1.lock自旋锁
lock自旋锁的功能很简答，用来对task_list链表起保护作用。当要向task_lsit链表中加入或者删除元素时，内核内部就会锁定lock锁，当修改完成后，会释放lock锁。也就是说，lock自旋锁在对task_lsit与操作的过程中，实现了对等待队列的互斥访问。
2.task_list变量
task_list是一个双向循环链表，用来存放等待的进程。

等待队列的使用

在Linux中，等待队列的类型为struct wait_queue_head_t。内核提供了一系列的函数对struct wait_queue_head_t进行操作。下面将对等待队列的操作方法进行简要的介绍。
1.定义和初始化等待队列头
在Linux中，定义等待队列的方法和定义普通结构体的方法相同，定义方法如下：

struct wait_queue_head_t wait;

一个等待队列必须初始化才能被使用，init_waitqueue_head()函数用来初始化一个等待队列，其代码形式如下：

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
	wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITALIZER(name)

2.定义等待队列
Linux内核中提到了一个宏用来定义等待队列，该宏的代码如下：

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) \wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

该宏用来定义并且初始化一个名为name的等待队列。
3.添加和移除等待队列
Linux内核中提供了两个函数用来添加和移除队列，这两个函数的定义如下：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

add_wait_queue()函数用来将等待队列元素wait添加到等待队列头q所指向的等待队列链表中。与其相反的函数是remove_wait_queue()，该函数用来将队列元素wait从等待队列q所指向的等待队列中删除。
4.等待事件
Linux内核中提供一些宏来等待相应的事件，这些宏的定义如下：

#define wait_event(wq, condition)
#define wait_event_timeout(wq, condition, ret)
#define wait_event_interruptible(wq, condition, ret)
#define wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, ret)

• wait_event宏的功能是，在等待队列中睡眠直到condition为真。在等待的期间进程会被置为TASK_UNINTERRUPTIBLE进入睡眠，直到condition变量为真。每次进程被唤醒的时候都会检查condition的值。
• wait_event_timeout宏与wait_event类似，不过如果所给的睡眠时间为负数则立即返回。如果在睡眠期间被唤醒，且condition为真则返回剩余的睡眠时间，否则继续睡眠直到到达或超过给定的睡眠时间，然后返回0。
• wait_event_interruptible宏与wait_event的区别是，调用该宏在等待的过程中当前进程会被设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态。在每次被唤醒的时候，首先检查condition是否为真，如果为真则返回；否则检查如果进程是被信号唤醒，会返回-ERESTARTSYS错误码。如果condition为真，则返回0。
• wait_event_interruptible_timeout宏与wait_event_timeout宏类似，不过如果睡眠期间被信号打断则返回ERESTARTSYS错误码。
  5.唤醒等待队列
  Linux内核中提供一些宏用来唤醒相应的队列中的进程，这些宏的定义如下：

#define wake_up(x)			__wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
#define wake_up_interruptible(x)   __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

• wake_up宏唤醒等待队列，可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程，这个宏和wait_event/wait_event_timeout成对使用。
• wake_up_interruptible宏和wake_up()唯一的区别是，它只能唤醒TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程。这个宏可以唤醒使用wait_event_interruptible、wait_event_interruptible_timeout宏睡眠的进程。

同步机制实验

本节将讲解一个使用等待队列实现的同步机制的实验，通过本节的实验，读者可以对Linux中的同步机制有一个较深的了解。

同步机制设计

进程同步机制的设计首先需要一个等待队列，所有等待一个事件完成的进程都挂接在这个等待队列中，一个包含队列的数据结构可以实现这种意图。这个数据结构的定义代码如下：

struct CustomEvent{
	int eventNum;  //事件号
	wait_queue_head_t *p; //系统等待队列首指针
	struct CustomEvent *next; //队列链指针
}；

下面对这个结构体进行简要的解释：

• 2行的eventNum表示进程等待的事件号
• 3行，是一个等待队列，进程在这个等待队列中等待。
• 4行，是连接这个结构体的指针。
  为了实现实验的意图，设计了两个指针分别表示事件链表的头部和尾部，这两个结构的定义如下代码所示。

CustomEvent *lpevent_head = NULL; //链头指针
CustomEvent *lpevent_end = NULL;  //链尾指针

每个事件由一个链表组成，每个链表中包含了等待这个事件的等待队列。这个结构下图所示。

为了实现实验的设计，定义了一个函数FindEventNum()从一个事件链表中找到某个事件对应的等待链表，这个函数的代码如下：

CustomEvent *FindEventNum(int eventNum, CustomEvent **prev)
{
	CustomEvent *tmp = lpevent_head;
	*prev = NULL;
	while(tmp)
	{
		if(tmp->eventNum == eventNum)
			return tmp;
		*prev = tmp;
		tmp = tmp->next;
	}
	return NULL;
}

下面对这个函数进行简要的介绍：

• 1行，函数接收两个参数，第1个参数eventNum是事件的序号，第2个参数是返回事件的前一个事件。该函数找到所要的事件则返回，否则返回NULL。
• 3行，将tmp赋值为事件链表的头部。
• 4行，将prev指向NULL。
• 5~11行，是一个while()循环，找到所要事件的结构体指针。
• 7行，判断tmp所指向的事件号是否与eventNum相同，如果相同则返回，表示找到，否则继续沿着链表查找。
• 10行，将tmp向后移动。
• 12行，如果没有找到，则返回NULL值。
  为了实现实验的设计，定义了一个系统调用函数sys_CustomEvent_open()，该函数新分配了一个事件，并返回新分配事件的事件号，其函数的定义如下：

asmlinkage int sys_CustomEvent_open(int eventNum)
{
	CustomEvent *new;
	CustomEvent *prev;
	if(eventNum)
		if(!FindEentNum(eventNum, &prev))
			return -1;
		else
			return eventNum;
	else
	{
		new = (CustomEvent *)kmalloc(sizeof(CustomEvent), GFP_KERNEL);
		new->p = (wait_queue_head_t *)kmalloc(sizeof(wait_queue_head_t), GFP_KERNEL);
		new->next = NULL;
		new->p->task_list.next = &new->p->task_list;
		new->p->task_list.prev = &new->p->task_list;
		if(!lpevent_head)
		{
			new->eventNum = 2; //从2开始按偶数递增事件号
			lpevent_end->next = lpevent_end = new;
			return new->eventNum;
		}
		else
		{
			//事件队列不为空，按偶数递增一个事件号
			new->eventNum = lpevent_end->eventNum + 2;
			lpevent_end->next = new;
			lpevent_end = new;
		}
		return new->eventNum;
	}
	return 0;
}

下面对该函数进行简要的介绍：

• 1行，该函数用来建立一个新的事件，参数为新建立的事件号。
• 3、4行，定义了两个事件的指针。
• 5行，判断事件是否为0，如果为0，则重新创建一个事件。
• 6~9行，根据事件号查找事件，如果找到返回事件号，如果没有找到返回-1。FindEventNum()函数根据事件号查找相应的事件。
• 12~31行，用来重新分配一个事件。
• 12行，调用kmalloc()函数新分配一个事件。
• 13行，分配该事件对应的等待队列，将等待队列的任务结构体链接指向自己。
• 17~22行，如果没有事件链表头，则将新分配的事件赋给事件链表头，并返回新分配的事件号。
• 25~28行，如果已经没有事件链表头，则将新分配的事件连接到链表中。
• 30行，返回新分配的事件号。
  下面定义了一个将进程阻塞到一个事件的系统调用函数，直到等待的事件被唤醒时，事件才退出。该函数的代码如下：

asmlinkage int sys_CustomEvent_wait(int eventNum)
{
	CustomEvent *tmp;
	CustomEvent *prev = NULL;
	if((tmp = FindEventNum(eventNum, &prev)) != NULL)
	{
		DEFINE_WAIT(wait); //初始化一个wait_queue_head
		//当前进程进入阻塞队列
		prepare_to_wait(tmp->p, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE); 
		
		schedule(); //重新调度
		finish_wait(tmp->p, &wait); //进程被唤醒从阻塞队列退出
		return eventNum;
	}
	return -1;
}

下面对该函数进行简要的介绍：

• 1行，函数实现了一个等待队列等待的系统调用。
• 3，4行，定义了两个事件的指针。
• 5行，通过eventNum找到事件结构体，如果查找失败，则返回-1。
• 7行，定义并初始化一个等待队列。
• 8行，将当前进程放入等待队列中。
• 9行，重新调度新的进程。
• 10行，当进程被唤醒时，进程从等待队列中退出。
• 11行，返回事件号。
  有使进程睡眠的函数，就有使进程唤醒的函数。唤醒等待特定事件的函数是sys_CustomEvent_signal()，该函数的代码如下：

asmlinkage int sys_CustomEvent_signal(int eventNum)
{
	CustomEvent *tmp = NULL;
	CustomEvent *prev = NULL;
	if(!(tmp = FindEventNum(eventNum, &prev)))
		return 0;
	wake_up(tmp->p); //唤醒等待事件的进程
	return -1;
}

下面对该函数进行简要的介绍：

• 1行，函数接收一个参数，这个参数是要唤醒的事件的事件号，在这个事件上等待的函数，都将被唤醒。
• 1行，函数接收一个参数，这个参数是要唤醒的事件的事件号，在这个事件上等待的函数，都将被唤醒。
• 2、3行，定义了两个结构体指针。
• 5行，如果没有发现事件，则返回。
• 7行，唤醒等待队列上的所有进程。
• 8行，返回1，表示成功。
  定义了一个关闭事件的函数，该函数先唤醒事件上的等待队列，然后清除事件占用的空间。函数的代码如下：

asmlinkage int sys_CustomEvent_close(int eventNum)
{
	CustomEvent *prev=NULL;
	CustomEvent *releaseItem;
	if(releaseItem = FindEventNum(eventNum, &prev))
	{
		if(releaseItem == lpevent_end)
			lpevent_end = prev;
		else if(releaseItem == lpevent_head)
			lpevent_head = lpevent_head->next;
		else
			prev->next = releaseNum->next;
		sys_CustomEvent_signal(eventNum);
		if(releaseNum){
			kfree(releaseNum);
		}
		return releasNum;
	}
	return 0;
}

下面对该函数进行简要的介绍：

• 1行，函数表示关闭事件。如果关闭失败返回0，否则返回关闭的事件号
• 3、4行，定义了两个结构体指针。
• 5行，找到需要关闭的事件。
• 7行，如果是链表的最后一个事件，那么将lpevent_end指向前一个事件。
• 9行，如果是链表中的第一个事件，那么将lpevent_head指向第二个事件。
• 10行，如果事件是中间的事件，那么将中间的事件去掉，用指针连接起来。
• 13行，唤醒需要关闭的事件。
• 14行，清空事件占用的内存。
• 18行，返回事件号。

实验验证

将以上的代码编译进内核，并用新内核启动系统。那么系统中就存在了4个新的系统调用。这4个新的系统调用分别是__NR_CustomEvetn_open、__NR_CustomEvent_wait、__NR_CustomEvent_signal和__NR_myevent_close。分别使用这4个系统调用编写程序来验证同步机制。
首先需要打开一个事件，完成这个功能的代码如下，该段代码打开看一个事件号为2的函数，然后退出。

#include 
#include 
#include 
int CustomEvent_open(int flag){
	return syscall(__NR_CustomEvent_open, flag);
}
int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	if(argc != 2)
		return -1;
	i = CustomEvent_open(atoi(argv[1]));
	printf("%d\n",i);
	return 0;
}

打开一个事件号为2的函数后，就可以在这个事件上将多个进程置为等待状态。将一个进程置为等待状态的代码如下，多次执行下面的代码，并传递参数2，会将进程放入事件2的等待队列中。

#include 
#include 
#include 
int CustomEvent_wait(int flag){
	return syscall(__NR_CustomEvent_wait, flag);
}
int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	if(argc != 2)
		return -1;
	i = CustomEvent_wait(atoi(argv[1]));
	printf("%d\n",i);
	return 0;
}

如果执行了上面的操作，那么会将多个进程置为等待状态，这时候调用下面的代码，并传递参数2，来唤醒多个等待事件2的进程。

#include 
#include 
#include 
int CustomEvent_wait(int flag){
	return syscall(__NR_CustomEvent_signal, flag);
}
int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	if(argc != 2)
		return -1;
	i = CustomEvent_signal(atoi(argv[1]));
	printf("%d\n",i);
	return 0;
}

当不需要一个事件时，可以删除这个事件，那么在这个事件上等待的所有进程，都会返回并执行，完成该功能的代码如下：

#include 
#include 
#include 
int myevent_close(int flag){
	return syscall(__NR_CustomEvent_close, flag);
}
int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	if(argc != 2)
		return -1;
	i = CustomEvent_close(atoi(argv[1]));
	printf("%d\n", i);
	return 0;
}

小结

阻塞和非阻塞在驱动程序中经常用到。阻塞在I/O操作暂时不能进行时，让进程进入等待队列。后者在I/O操作暂时不能进行时，立刻返回。这两种方式各有优劣，在实际应用中，应该有选择地使用。由于阻塞和非阻塞也是由等待队列来实现的，所以本章也概要地讲解了一些等待队列的用法。