嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制

嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制

  • 嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制
  • 一、select工作机制
    • 1、select的睡眠过程
    • 2、select的唤醒
    • 3、select函数
  • 二、 poll机制作用
    • 1.poll机制内核框架
      • 1.1 sys_poll代码如下:
      • 1.2 然后进入do_sys_poll(位于fs/select.c):
      • 1.3进入poll_initwait函数,发现主要实现以下一句,后面会分析这里:
      • 1.4然后进入do_poll函数, (位于fs/select.c):
        • 1.4.1 上面do_pollfd函数到底是怎么将pfd和pt参数代入的?代码如下(位于fs/select.c):
        • 1.4.2 当poll进入休眠状态后,又是谁来唤醒它?这就要分析我们的驱动程序.poll函数(第2小节开始分析.poll函数)
    • 2.写驱动程序.poll函数,并分析.poll函数:
      • 2.1 在我们1.4小节do_poll函数有一段以下代码:
      • 2.2分析在内核中poll机制如何唤醒的
      • 2.3 驱动程序.poll函数返回值介绍
  • 本程序参考引用如下

嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制

一、select工作机制

poll和select,都是基于内核函数sys_poll实现的,不同在于在linux中select是从BSD Unix系统继承而来,poll则是从SYSTEM V Unix系统继承而来,因此两种方式相差不大。poll函数没有最大文件描述符数量的限制。poll和 select与一样,大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间,开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。

select需要驱动程序的支持,驱动程序实现fops内的poll函数。select通过每个设备文件对应的poll函数提供的信息判断当前是否有资源 可用(如可读或写),如果有的话则返回可用资源的文件描述符个数,没有的话则睡眠,等待有资源变为可用时再被唤醒继续执行。

1、select的睡眠过程

支持阻塞操作的设备驱动通常会实现一组自身的等待队列如读/写等待队列用于支持上层(用户层)所需的BLOCK或NONBLOCK操作。当应用程序通过设备驱动访问设备时(默认为BLOCK操作),若设备当前没有数据可读或写,则将用户进程插入到设备驱动对应的读/写等待队列让其睡眠一段时间,等到有数据可读/写时再将用户进程唤醒。

select巧妙的利用等待队列机制让用户进程适当在没有资源可读/写时睡眠,有资源可读/写时唤醒。

select会循环遍历所监测的fd_set(一组文件描述符(fd)的集合)内的所有文件描述符对应的驱动程序的poll函数。驱动程序提供的poll函数首先会将调用select的用户进程插入到设备驱动对应资源的等待队列(如读/写等待队列),然后返回一个bitmask告诉select当前资源哪些可用。当select循环遍历完所有fd_set内指定的文件描述符对应的poll函数后,如果没有一个资源可用(即没有一个文件可供操作),则select让进程睡眠,一直等到有资源可用为止,进程被唤醒(或者timeout)继续往下执行。

2、select的唤醒

select会循环遍历它所监测的fd_set内的所有文件描述符对应的驱动程序的poll函数。驱动程序提供的poll函数首先会将调用select的 用户进程插入到该设备驱动对应资源的等待队列(如读/写等待队列),然后返回一个bitmask告诉select当前资源哪些可用。

唤醒进程的过程通常是在所监测文件的设备驱动内实现的,驱动程序维护了针对自身资源读写的等待队列。当设备驱动发现自身资源变为可读写并且有进程睡眠在自身资源的等待队列上时,就会唤醒自身资源等待队列上的进程。

3、select函数

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
ndfs:select监视的文件句柄数,一般设为要监视各文件中的最大文件描述符值加1。
readfds:文件描述符集合监视文件集中的任何文件是否有数据可读,当select函数返回的时候,readfds将清除其中不可读的文件描述符,只留下可读的文件描述符。
writefds:文件描述符集合监视文件集中的任何文件是否有数据可写,当select函数返回的时候,writefds将清除其中不可写的文件描述符,只留下可写的文件描述符。
exceptfds:文件集将监视文件集中的任何文件是否发生错误,可用于其他的用途,例如,监视带外数据OOB,带外数据使用MSG_OOB标志发送到套接字上。当select函数返回的时候,exceptfds将清除其中的其他文件描述符,只留下标记有OOB数据的文件描述符。
timeout:本次select()的超时结束时间。这个参数至关重要,它可以使select处于三种状态:
(1)若将NULL以形参传入,即不传入时间结构,就是将select置于阻塞状态,一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止;
(2)若将时间值设为0秒0毫秒,就变成一个纯粹的非阻塞函数,不管文件描述符是否有变化,都立刻返回继续执行,文件无变化返回0,有变化返回一个正值;
(3)timeout的值大于0,这就是等待的超时时间,即select在timeout时间内阻塞,超时时间之内有事件到来就返回了,否则在超时后不管怎样一定返回,返回值同上述。

struct timeval{      
        long tv_sec;   /*秒 */
        long tv_usec;  /*微秒 */   
    }

返回值为正值表示监视的文件集中有文件描述符符合要求,为零值表示select监视超时,为负值表示发生了错误,错误值由errno指定。

文件描述符集合的操作:
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);

二、 poll机制作用

相当于定时器,设置一定时间使进程等待资源,如果时间到了中断还处于睡眠状态(等待队列),poll机制就会唤醒中断,获取一次资源

1.poll机制内核框架

如下图所示,在用户层上,使用poll或select函数时,和open、read那些函数一样,也要进入内核sys_poll函数里,接下来我们分析sys_poll函数来了解poll机制(位于/fs/select.c)
嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制_第1张图片

1.1 sys_poll代码如下:

asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,long timeout_msecs)
{
        if (timeout_msecs > 0)    //参数timeout>0
    {
         timeout_jiffies = msecs_to_jiffies(timeout_msecs);  //通过频率来计算timeout时间需要多少计数值
    }
    else
    {
          timeout_jiffies = timeout_msecs;    //如果timeout时间为0,直接赋值
       }
  return do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);   //调用do_sys_poll。
}

1.2 然后进入do_sys_poll(位于fs/select.c):

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)
{
  ... ...
  /*初始化一个poll_wqueues变量table*/
  poll_initwait(&table);
  ... ...
  fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);
  ... ... 
}

1.3进入poll_initwait函数,发现主要实现以下一句,后面会分析这里:

table ->pt-> qproc=__pollwait;    //__pollwait将在驱动的poll函数里的poll_wait函数用到

1.4然后进入do_poll函数, (位于fs/select.c):

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list, struct poll_wqueues *wait,  s64 *timeout)
{
  ……
       for (;;)
   {
    ……
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);       //设置为等待队列状态
    ......
       for (; pfd != pfd_end; pfd++) {             //for循环运行多个poll机制
                   /*将pfd和pt参数代入我们驱动程序里注册的poll函数*/
                        if (do_pollfd(pfd, pt))     //若返回非0,count++,后面并退出
              {  count++;
                           pt = NULL; } }

    ……

    /*count非0(.poll函数返回非0),timeout超时计数到0,有信号在等待*/

       if (count || !*timeout || signal_pending(current))
                            break;
    ……
  
    /*进入休眠状态,只有当timeout超时计数到0,或者被中断唤醒才退出,*/
         __timeout = schedule_timeout(__timeout);

    ……

   }

__set_current_state(TASK_RUNNING);  //开始运行
return count;

}
1.4.1 上面do_pollfd函数到底是怎么将pfd和pt参数代入的?代码如下(位于fs/select.c):
static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
      ……
         if (file->f_op && file->f_op->poll)
         mask = file->f_op->poll(file, pwait);
      ……

return mask;
}

上面file->f_op 就是我们驱动里的file_oprations结构体,如下图所示:
嵌入式 Linux——Select机制 和poll机制_第2张图片
所以do_pollfd(pfd, pt)就执行了我们驱动程序里的.poll(pfd, pt)函数(第2小节开始分析.poll函数)

1.4.2 当poll进入休眠状态后,又是谁来唤醒它?这就要分析我们的驱动程序.poll函数(第2小节开始分析.poll函数)

2.写驱动程序.poll函数,并分析.poll函数:

在上一节驱动程序里添加以下代码:

  #include                 //添加头文件
  
 /*   .poll驱动函数:  third_poll        */
static unsigned int third_poll(struct file *fp, poll_table * wait)  //fp:文件  wait:
{
         unsigned int mask =0; 
         poll_wait(fp, &button_wait, wait);
         if(even_press)              //中断事件标志, 1:退出休眠状态     0:进入休眠状态 
         mask |= POLLIN | POLLRDNORM ;
         return mask;     //当超时,就返给应用层为0 ,被唤醒了就返回POLLIN | POLLRDNORM ;

}

static struct file_operations third_drv_fops={
         .owner = THIS_MODULE,
         .open = third_drv_open,
         .read = third_drv_read,
       .release=third_drv_class,   
       .poll = third_poll,           //创建.poll函数
};

2.1 在我们1.4小节do_poll函数有一段以下代码:

if (do_pollfd(pfd, pt))     //若返回非0,count++,后面并退出
{      
     count++;
        pt = NULL;
         }

且在1.4.1分析出: do_pollfd(pfd, pt)就是指向的驱动程序third_poll()函数,

所以当我们有按键按下时, 驱动函数third_poll()就会返回mask非0值,然后在内核函数do_poll里的count就++,poll机制并退出睡眠.

2.2分析在内核中poll机制如何唤醒的

在驱动函数third_poll()里有以下一句:
poll_wait(fp, &button_wait, wait);
在这里插入图片描述
如上图所示,代入参数,poll_wait()就是执行了: p->qproc(filp, button_wait, p);
刚好对应了我们1.3小节的:

table ->pt-> qproc=__pollwait;

所以poll_wait()函数就是调用了: __pollwait(filp, button_wait, p);

然后我们来分析__pollwait函数,pollwait的代码如下:

static void __pollwait(struct file  *filp, wait_queue_head_t  *wait_address,poll_table  *p)
{
   ... ...
   //把current进程挂载到&entry->wait下
   init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);

   //再&entry->wait把添加到到button_wait中断下
   add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);

}

a:它是将poll进程添加到了button_wait中断队列里,这样,一有按键按下时,在中断服务函数里就会唤醒button_wait中断,同样也会唤醒poll机制,使poll机制重新进程休眠计数
b:也可以手动唤醒,当数据准备就绪时,调用wake_up_all函数唤醒poll_wait;

2.3 驱动程序.poll函数返回值介绍

当中断休眠状态时,返回mask为0
当运行时返回:mask |= POLLIN | POLLRDNORM
其中参数意义如下:

常量 说明
POLLIN 普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM normal普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI Priority高优先级数据可读
POLLOUT 普通数据可写
POLLWRNORM normal普通数据可写
POLLWRBAND band优先级带数据可写
POLLERR 发生错误
POLLHUP 发生挂起
POLLNVAL 描述字不是一个打开的文件

所以POLLIN | POLLRDNORM:普通数据可读|优先级带数据可读
mask就返回到应用层poll函数,

本程序参考引用如下

嵌入式 Linux网络编程(四)——Select机制
中断按键驱动程序之poll机制(详解)

你可能感兴趣的:(开发类,linux,内核)