作者:刘昊昱
博客:http://blog.csdn.net/liuhaoyutz
编译环境:Ubuntu 10.10
内核版本:2.6.32-38-generic-pae
LDD3源码路径:examples/scull/pipe.c examples/scull/main.c
一、异步通知机制的实现
本文分析LDD3第6章中的异步通知机制。
通过使用异步通知机制,应用程序可以在指定的I/O操作可执行时,收到一个信号,而不需要不停的使用轮询来查询设备。
要使用异步通知机制,对于用户空间程序来说,需要执行如下步骤:
首先,指定一个进程作为文件的“属主”。这是通过使用fcntl系统调用执行F_SETOWN命令完成的,该命令会把进程ID号保存在filp->f_owner中。这一步的目的是让内核知道应该通知哪个进程。
其次,在设备中设置FASYNC标志,这是通过fcntl的F_SETFL命令完成的。
执行完这两个步骤后,当指定的I/O操作可执行时,就会给相应进程发送一个SIGIO信号。
从内核的角度看,要实现异步通知机制,需要经过如下三个步骤:
首先,F_SETOWN被调用时,对filp->f_owner赋值,此外什么也不做。
其次,执行F_SETFL设置FASYNC时,调用驱动程序的fasync函数。只要filp->f_flags中的FASYNC标志发生了变化,就应该调用这个函数,以便把这个变化通知驱动程序,使其能做出正确响应。文件打开时,FASYNC标志默认是被清除的。
第三,当指定的I/O操作可执行时,所有注册为异步通知的进程都会被发送一个SIGIO信号。
第一步的实现很简单,在驱动程序部分没有什么可做的。第二步和第三部则要涉及维护一个动态数据结构,以跟踪不同的异步读取进程,这种进程可能有好几个。不过,这个动态数据结构并不依赖于特定设备,内核已经提供了一套通用的实现方法,没有必要为每个驱动程序重写这部分代码。
Linux的这种通用方法基于一个数据结构和两个函数,这个数据结构是struct fasync_struct,该结构体在linux/fs.h中定义如下:
struct fasync_struct { int magic; int fa_fd; struct fasync_struct *fa_next; /* singly linked list */ struct file *fa_file; };
和处理等待队列的方式类似,我们需要把一个该类型的指针插入设备特定的数据结构中去。回忆一下scullpipe设备结构体的定义:
33struct scull_pipe { 34 wait_queue_head_t inq, outq; /* read and write queues */ 35 char *buffer, *end; /* begin of buf, end of buf */ 36 int buffersize; /* used in pointer arithmetic */ 37 char *rp, *wp; /* where to read, where to write */ 38 int nreaders, nwriters; /* number of openings for r/w */ 39 struct fasync_struct *async_queue; /* asynchronous readers */ 40 struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */ 41 struct cdev cdev; /* Char device structure */ 42};
第39行定义了fasync_struct结构体变量。
两个相关函数分别是:
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp); void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)
当一个打开的文件的FASYNC标志被修改时,调用fasync_helper以便从相关的进程列表中增加或删除文件。除了最后一个参数外,fasync_helper的其它参数与驱动程序的fasync函数相同,可以直接传递。
scullpipe设备的fasync函数实现如下:
253static int scull_p_fasync(int fd, struct file *filp, int mode) 254{ 255 struct scull_pipe *dev = filp->private_data; 256 257 return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue); 258}
当指定的I/O操作可执行时,应使用kill_fasync通知所有的相关进程,该函数的第二个参数是要发送的信号(通常是SIGIO),第三个参数是带宽(通常是POLL_IN)。由于提供给scullpipe的读取进程的新数据是由某个进程调用write产生的,所以kill_fasync函数在scullpipe的write函数中调用,代码片段如下所示:
221 /* and signal asynchronous readers, explained late in chapter 5 */ 222 if (dev->async_queue) 223 kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
如果是针对写入的异步通知,kill_fasync的第三个参数必须为POLL_OUT。
最后要做的是,当文件关闭时,必须调用fasync方法,以便从活动的异步通知进程列表中删除该文件。在scullpipe的close函数中,有如下代码:
98 /* remove this filp from the asynchronously notified filp's */ 99 scull_p_fasync(-1, filp, 0);
二、测试scullpipe的异步通知机制
LDD3提供了一个异步通知机制的测试程序examples/misc-progs/asynctest.c,其代码如下:
/* * asynctest.c: use async notification to read stdin * * Copyright (C) 2001 Alessandro Rubini and Jonathan Corbet * Copyright (C) 2001 O'Reilly & Associates * * The source code in this file can be freely used, adapted, * and redistributed in source or binary form, so long as an * acknowledgment appears in derived source files. The citation * should list that the code comes from the book "Linux Device * Drivers" by Alessandro Rubini and Jonathan Corbet, published * by O'Reilly & Associates. No warranty is attached; * we cannot take responsibility for errors or fitness for use. */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <fcntl.h> int gotdata=0; void sighandler(int signo) { if (signo==SIGIO) gotdata++; return; } char buffer[4096]; int main(int argc, char **argv) { int count; struct sigaction action; memset(&action, 0, sizeof(action)); action.sa_handler = sighandler; action.sa_flags = 0; sigaction(SIGIO, &action, NULL); fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid()); fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL) | FASYNC); while(1) { /* this only returns if a signal arrives */ sleep(86400); /* one day */ if (!gotdata) continue; count=read(0, buffer, 4096); /* buggy: if avail data is more than 4kbytes... */ write(1,buffer,count); gotdata=0; } }第38 - 42行,设置信号处理函数sighandler。
第24 - 29行,是信号处理函数sighandler的实现。
第44行,指定当前进程作为标准输入设备的“属主”。
第45行,在标准输入设备中设置FASYNC标志。
第47 - 56行,循环等待,当输入设备有数据可读时,会发信号唤醒进程,并读取和打印信息。
使用该程序测试scullpipe的过程如下图所示:
我们把asynctest的标准输入重定向到/dev/scullpipe1,所以当/dev/scullpipe1有数据可读,时会向asynctest发信号SIGIO,唤醒asynctest,执行信号处理函数,然后读取并打印信息,再进入下次循环。如下图所示: