Linux之异步通知机制

目录

一、异步通知简介

二、应用程序异步通知

1.注册信号处理函数

2.将本应用程序的进程号告诉给内核

3.开启异步通知

三、驱动程序异步通知

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一、异步通知简介

中断是处理器提供的一种异步机制，配置好中断后就可以让处理器去处理其他的事情，当中断发生以后会执行中断服务函数，在中断服务函数中做具体的处理。

Linux 应用程序可以通过阻塞或者非阻塞两种方式来访问驱动设备，通过阻塞方式访问，应用程序会处于休眠态，等待驱动设备可以使用。非阻塞方式会通过 poll 函数来不断的轮询，查看驱动设备文件是否可以使用。这两种方式都需要应用程序主动去查询设备的使用情况。如果能提供一种中断机制，驱动程序能主动向应用程序发出通知，驱动通知应用可以访问，然后应用程序在从驱动程序中读取或写入数据。Linux 提供了异步通知机制来完成此功能。

信号类似于硬件上使用的中断，区别是信号是在软件层次上对中断的一种模拟，驱动可以通过主动向应用程序发送信号的方式通知可以访问，应用程序获取到信号后就可以从驱动设备中读取或者写入数据。整个过程相当于应用程序收到驱动发送过来的一个中断，然后应用程序去响应这个中断，在整个处理过程中应用程序并没有去查询驱动设备是否可以访问，一切都是由驱动设备通知给应用程序的。

异步通知的核心是信号，在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定义了 Linux 所支持的所有信号，部分信号如下

#define SIGHUP 1 /* 终端挂起或控制进程终止 */
#define SIGINT 2 /* 终端中断(Ctrl+C 组合键) */
#define SIGQUIT 3 /* 终端退出(Ctrl+\组合键) */
#define SIGILL 4 /* 非法指令 */
#define SIGTRAP 5 /* debug 使用，有断点指令产生 */
#define SIGABRT 6 /* 由 abort(3)发出的退出指令 */
#define SIGIOT 6 /* IOT 指令 */
#define SIGBUS 7 /* 总线错误 */
#define SIGFPE 8 /* 浮点运算错误 */
#define SIGKILL 9 /* 杀死、终止进程 */

......

#define SIGIO 29 /* 可以进行输入/输出操作 */
#define SIGPOLL SIGIO
/* #define SIGLOS 29 */
#define SIGPWR 30 /* 断点重启 */
#define SIGSYS 31 /* 非法的系统调用 */
#define SIGUNUSED 31 /* 未使用信号 */

这些信号中，除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)这两个信号不能被忽略外，其他的信号都可以忽略。信号相当于中断号，不同的中断号代表了不同的中断，不同的中断所做的处理不同。驱动程序可以通过向应用程序发送不同的信号来实现不同的功能。这里只需要注意SIGIO信号即可。

二、应用程序异步通知

应用程序对异步通知的处理包括以下三步：

1.注册信号处理函数

应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数，应用程序使用 signal 函数来设置信号的处理函数。

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)

signum：要设置处理函数的信号
handler： 信号的处理函数
返回值： 设置成功返回信号的前一个处理函数，设置失败的话返回 SIG_ERR。
 

信号中断处理函数

typedef void (*sighandler_t)(int)

在处理函数执行相应的操作即可。

2.将本应用程序的进程号告诉给内核

fcntl系统调用可以用来对已打开的文件描述符进行各种控制操作以改变已打开文件的的各种属性

#include 
#include 
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

fcntl函数功能依据cmd的值的不同而不同和ioctl()一样的。

命令名	描述
F_DUPFD	复制文件描述符
F_GETFD	获取文件描述符标志
F_SETFD	设置文件描述符标志
F_GETFL	获取文件状态标志
F_SETFL	设置文件状态标志
F_GETLK	获取文件锁
F_SETLK	设置文件锁
F_SETLKW	类似F_SETLK，但等待返回
F_GETOWN	获取当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID和进程组ID
F_GETOWN	设置当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID和进程组ID

使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。
 

3.开启异步通知

使用如下两行程序开启异步通知：

flags = fcntl(fd, F_GETFL); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 开启当前进程异步通知功能 */

主要是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC，经过这一步，驱动程序中的 fasync 函数就会执行。

三、驱动程序异步通知

内核要使用异步通知需要在驱动程序中定义一个 fasync_struct 结构体指针变量

struct fasync_struct {
    spinlock_t fa_lock;
    int magic;
    int fa_fd;
    struct fasync_struct *fa_next;
    struct file *fa_file;
    struct rcu_head fa_rcu;
};

struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */

一般将 fasync_struct 结构体指针变量定义到设备结构体中即可。

然后需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数。

int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on)

fasync 函数里面一般通过调用 fasync_helper 函数来初始化前面定义的 fasync_struct 结构体指针

int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)

fasync_helper 函数的前三个参数就是 fasync 函数的三个参数，第四个参数就是要初始化的 fasync_struct 结构体指针变量。

当应用程序通过fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)改变fasync 标记的时，驱动程序file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。

当设备可以访问的时候，驱动程序需要向应用程序发出信号，相当于产生中断。 kill_fasync函数负责发送指定的信号

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

fp：要操作的 fasync_struct
sig： 要发送的信号
band： 可读时设置为 POLL_IN，可写时设置为 POLL_OUT

最后，在关闭驱动文件的时候需要在 file_operations 操作集中的 release 函数中释放 fasync_struct，fasync_struct 的释放函数为 fasync_helper。

xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */

xxx_fasync 函数就是file_operations 操作集中的 fasync 函数。

异步通知驱动模板

struct xxx_dev {
    ......
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};

//初始化 fasync_struct 结构体
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
    struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;

    if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)
        return -EIO;
    return 0;
}

//释放fasync_struct 结构体
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
}

static struct file_operations xxx_ops = {
    ......
    .fasync = xxx_fasync,
    .release = xxx_release,
    ......
};

发生信号只需要使用kill_fasync()函数在合适的地方(中断)调用即可。

阻塞、非阻塞、异步通知，这三种是针对不同的场合提出来的不同的解决方法，在实际的工作和学习中，根据自己的实际需求选择合适的处理方法即可。