【Linux驱动】Linux阻塞IO —— 阻塞读取按键状态（等待队列实现）
上一节获取按键状态时，是在应用层以循环的方式不断读取按键状态，但是我们实际关注的只是当按键被按下时发生的情况，所以大多数时间拿到的状态都是我们不需要的结果。
对此，当按键被释放时，让 read 接口处于阻塞状态，等按键被按下再解除阻塞。
一、等待队列API
要使用等待队列涉及到两个概念：等待队列头、等待项
等待队列通常使用链表实现，等待队列头便是链表的头节点，在Linux内核中使用 wait_queue_head_t 类型来表示等待队列头；等待项是等待队列中的一个子节点，通常是以线程为单位，将等待项加入到等待队列，相当于让线程处于休眠状态，在Linux内核中使用 wait_queue_t 类型来表示。相关API声明在
1、初始化等待队列
在使用等待队列之前，一般需要“声明 + 初始化”，接口原型如下（本质是宏）
/**
* @param q 等待队列
*/
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);
2、向等待队列添加等待项
向等待队列添加等待项之前需要先初始化等待项，等待项的初始化比较特殊，无需事先声明变量，使用的接口原型如下
/**
* @param name 等待项的名字
* @param tsk 当前所属任务(进程)，一般填current，current 是一个全局变量，表示当前进程
*/
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);
// 示例
// wait 自己拟定的变量名(无需事先声明)，可以认为此处便是在“声明+定义”一个等待项
// current Linux内核的全局变量，表示当前进程
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);向等待队列添加等待项，add_wait_queue 接口函数不会主动陷入阻塞，需要我们手动设置进程状态；当等待项被唤醒时，会自动从等待队列移除。接口原型如下：
/**
* @param q 等待队列头
* @param wait 等待项，需要和前面 DECLARE_WAITQUEUE 的第一个参数保持一致
*/
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);拓展：wait_event_interruptible 在符合等待条件的时候，会自动进入到等待队列挂起，被唤醒时从挂起的位置开始继续运行。但由于无法确定等待条件何时触发，也就不知道在哪个位置挂起，这里推荐使用 add_wait_queue。
3、唤醒等待队列中的等待项
所谓唤醒，其实是将线程/进程由休眠态转变为就绪态，换句话说是将等待项(进程)从等待队列移到运行队列。
- 唤醒：先移出等待队列，再移入运行队列
- 移除：移出等待队列
唤醒等待项的接口原型如下：
/**
* @param q 等待队列头
*/
void wake_up(wait_queue_head_t *q);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q);注意：wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进 程，而 wake_up_interruptible 函数只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程。所以在将等待项加入到等待队列以后务必要设置进程的状态。
4、从等待队列移除等待项
当遇到一些异常情况导致进程终止时，我们需要主动将等待项从等待队列移除。接口原型如下：
/**
* @param q 等待队列头
* @param wait 等待项
*/
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
二、内核API
1、设置进程状态
如果使用 wake_up_interruptible 来唤醒等待项（进程），需要在将等待项（进程）加入到等待队列后，设置进程的状态为 TASK_INTERRUPTIBLE。在内核中使用 __set_current_state 来设置进程状态。比如要设为 TASK_INTERRUPTIBLE
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);当进程进入到执行队列，此时要将进程状态设为运行状态。
__set_current_state(TASK_RUNNING);2、重新调度进程
调用 schedule 函数会主动触发调度器，让内核选择下一个要运行的进程。在调用 schedule 函数之前，会先调用 __set_current_state 将进程置于睡眠态或等待条件的状态。这样的话进程会在当前位置阻塞，下一次进程被唤醒时，会从阻塞的地方继续向下执行。
schedule();三、驱动实现
1、定义等待队列
在字符设备的结构体中声明一个等待队列的头节点，附加一个设备状态
typedef enum {
Pressed = 0U,
Released = 1U
}key_status;
struct chrdev_t
{
// ... ...
key_status status; /* 设备状态 */
wait_queue_head_t wait_head; /* 等待队列的头节点 */
};
static struct chrdev_t chrdev;2、初始化等待队列
在驱动入口函数中初始化该等待队列，初始化设备状态变量，因为我们计划在按键处于释放状态时，新建一个等待项并添加到等待队列，所以需要一个变量来保存按键状态。
/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
/* 初始化等待队列头 */
init_waitqueue_head(&chrdev.wait_head);
chrdev.status = Released;
// ...
}3、向等待队列添加等待项
每当应用层调用 read 接口，在 read 操作函数中，判断按键状态，如果为释放状态则添加到等待队列，同时将当前进程设为休眠态；等待队列中的等待项被唤醒时，再重新设为运行态。
static ssize_t chrdev_read(struct file *pfile, char __user * pbuf, size_t size, loff_t * poff)
{
// open 操作函数中 pfile->private_data = &chrdev;
struct chrdev_t* pdev = pfile->private_data;
if (pdev->status == Released)
{
/* 初始化等待项 */
DECLARE_WAITQUEUE(wait_item, current);
printk("加入等待队列\n");
add_wait_queue(&pdev->wait_head, &wait_item); // 添加到等待队列
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 当前进程设为休眠态
schedule(); // 重新调度进程(此时会阻塞，等待被唤醒)
__set_current_state(TASK_RUNNING); // 被唤醒后，设为运行态
}
printk("等待项被唤醒\n");
// ...
}4、唤醒等待队列
当按键任务处理完毕，此时需要唤醒等待队列中的等待项。这里是搭配定时器实现了按键消抖，真正的处理逻辑在定时器的回调函数中。
static irqreturn_t key0_handler(int irq, void * dev)
{
mod_timer(&timer, timer_delay(50));
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
/* 定时器回调函数 */
void timer_callback(unsigned long arg)
{
struct chrdev_t* pdev = (struct chrdev_t*)arg;
pdev->status = Pressed;
// 按键处理逻辑
pdev->status = Released;
// 唤醒等待项
wake_up_interruptible(&pdev->wait_head);
}四、应用测试
在应用程序中，调用一次 read 函数来检测是否加入了等待队列，以及按键按下是否被唤醒。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void printHelp()
{
printf("usage: ./xxxApp \n");
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if (argc != 2)
{
printHelp();
return -1;
}
char* driver_path = argv[1];
int state = 0;
int ret = 0;
int fd = 0;
fd = open(driver_path, O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open file failed");
return -2;
}
ret = read(fd, &state, sizeof(state));
if (ret < 0)
{
printf("read data error\n");
}
close(fd);
return 0;
} 程序开始运行时，因为加入到等待队列，一开始会阻塞
当按键按下，等待项被唤醒，进程会从挂起的地方，也就是 schedule() 的下一行开始运行
