Linux驱动IO篇——阻塞/非阻塞IO

非阻塞IO

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在应用程序中，使用open函数打开一个/dev目录下的一个设备文件时，默认是以阻塞的方式打开。

所谓阻塞，就是当我们请求的资源不可用时（资源被占用，没有数据到达等等），会使得进程休眠，从现象看就是卡在那里。

应用层

如果我们希望以非阻塞方式打开设备文件，则应该在open设备文件时，添加一个O_NONBLOCK的flag参数，例如：

fd = open("/dev/vser0", O_RDWR | O_NONBLOCK);

驱动层

应用层以非阻塞方式打开设备文件，则驱动层也要有对应的处理操作才行。

应用层传入的O_NONBLOCK标志，会保存在struct file结构体的f_flags成员中。当资源不可用时，同时判断f_flags变量是否为O_NONBLOCK，有则代表以非阻塞方式打开，然后返回一个-EAGAIN错误，提示应用层资源暂时不可用。

下面是驱动中read函数非阻塞处理的伪代码，例如：

static ssize_t vser_read(struct file *flip, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
	......
	if (资源不可用)
		if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
			return -EAGAIN；
	......
}

当出现资源不可用时，会出现以下提示：

read: Resource temporarily unavailable

阻塞IO

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上述非阻塞方式打开设备文件，虽然可以防止进程休眠，无论结果如何都会立即返回，但缺点是必须要定期查询资源是否可以获得，例如上述代码中，每次调用read函数都要去查询一下资源是否可用。这种操作效率非常低。

但是用阻塞IO的话，进程休眠期间就再也不能做其他的事情了。

所以不论是非阻塞IO还是阻塞IO，都有缺点，有没有好的办法呢？

正确做法应该是：使用阻塞IO，驱动中添加唤醒操作。

什么意思呢？既然有休眠，就应该有对应的唤醒操作，否则进程将会一直休眠下去。驱动程序应该在资源可用时负责执行唤醒操作。

要实现既有休眠，又有唤醒的阻塞IO模型，应该使用等待队列。

等待队列

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我们以一个虚拟串口设备为例：

如图是一个虚拟串口设备示例图，这是一个功能弱化之后的只具备内回环作用的串口。

主要功能：在驱动中实现一个FIFO，驱动接收用户层传来的数据，然后将之放入FIFO，当应用层要获取数据时，驱动将FIFO中的数据读出，然后复制给应用层。

我们以这个虚拟串口设备为例，讲解等待队列的使用。

为了方便理解，简化了不必要的代码，下面是驱动代码：

//定义内核fifo
DEFINE_KFIFO(vsfifo, char ,32)
//定义两个等待队列头
wait_queue_head_t rwqh;//读等待队列
wait_queue_head_t wwqh;//写等待队列

static ssize_t vser_read(struct file *flip, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
......
    /* fifo为空，没有数据可读，进入休眠*/
	if(kfifo_is_empty(&vsfifo))	{
		if(flip->f_flags & O_NONBLOCK)//非阻塞方式，直接返回
			return -EAGAIN;
			
        /* 阻塞方式，没有数据可读，将进程放入读等待队列rwqh，进程休眠；唤醒条件是fifo不为空 */
		if (wait_event_interruptible(rwqh, !kfifo_is_empty(vsfifo)))
			return -ERESTARTSYS;
	}
    
    //将fifo中的数据返回给应用层
    ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied);
	
    /* fifo未满，还有空间，代表可以往fifo写数据，唤醒写等待队列 */
	if (!kfifo_is_full(&vsfifo))
		wake_up_interruptible(&wwqh);
......
}

static ssize_t vser_write(struct file *flip, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
......   
    /* fifo已满，不可写 */
    if (kfifo_is_full(&vsfifo)) {
        if (flip->f_flags & O_NONBLOCK)//非阻塞方式，直接返回
            return -EAGAIN;
        
        /* 阻塞方式，进程休眠，放入写等待队列，唤醒条件是fifo未满时 */
        if (wati_event_interruptible(wwqh, !kfifo_is_full(&vsfifo)))
            return -ERESTARTSYS;
    }
    
    //从应用层获取数据，写入fifo
    ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);
    
    /* fifo不为空，唤醒读等待队列rwqh */
    if (!kfifo_is_empty(&vsfifo))
        	wake_up_interruptible(&rwqh);
......
}

/* 驱动入口函数 */
static int __init vser_init(void)
{
......
    /* 初始化等待队列头 */
	init_waitqueue_head(rwqh);
    init_waitqueue_head(wwqh);
......
}

首先用wait_queue_head_t定义两个等待队列头rwqh和wwqh，分表代表读等待队列和写等待队列，然后在驱动入口函数vser_init中调用init_waitqueue_head初始化等待队列头。

读操作处理

当应用程序想要从驱动中读取数据，而fifo为空时，此时代表没有数据可读。如果是非阻塞方式则直接返回，如果是阻塞方式，调用wait_event_interruptible函数将进程放入读等待队列rwqh，进程休眠。当fifo不为空时，即fifo有数据时，才会被唤醒。

写操作处理

当应用层想往驱动中写数据，而fifo已经满了，此时代表不可写。如果是非阻塞方式直接返回，如果是阻塞方式，则调用wati_event_interruptible函数将进程放入写等待队列，进程休眠。当fifo未满时，才会被唤醒。

唤醒处理

调用wake_up_interruptible函数唤醒对应的等待队列

通过在上述加入等待队列的操作，当以阻塞方式打开设备文件时，资源可用时会被唤醒，而不至于一直休眠。

等待队列变体

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上述只是使用了等待队列最常用的函数，等待队列还有其他很多的变体，下面列举常见的：

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)
init_waitqueue_head(q)

wait_event(wq, condition)
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)
wake_up(x)

wait_event_interruptible(wq, condition)
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeour)
wait_event_interruptible_exclusive(wq, condition)
wake_up_interruptible(x)

wait_event_interruptible_locked(wq, condition)
wait_event_interruptible_locked_irq(wq, condition)
wake_up_locked(x)

虽然有很多的变体，但简单的说，使进程休眠调用wait_event_xxx函数，唤醒进程调用wake_up_xxx函数。其余的后缀一一对应即可。

关于这些宏或函数的更多信息请参考“include/linux/wait.h”