LDD3源码分析之poll分析

 

LDD3源码分析之poll分析

分类: LDD3源码分析   113人阅读  评论(0)  收藏  举报

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

 

本文分析LDD36章的poll(轮询)操作。要理解驱动程序中poll函数的作用和实现,必须先理解用户空间中pollselect函数的用法。本文与前面的文章介绍的顺序有所不同,首先分析测试程序,以此理解用户空间中的pollselect函数的用法。然后再分析驱动程序怎样对用户空间的pollselect函数提供支持。

 

一、poll函数的使用

用户态的poll函数用以监测一组文件描述符是否可以执行指定的I/O操作,如果被监测的文件描述符都不能执行指定的I/O操作,则poll函数会阻塞,直到有文件描述符的状态发生变化,可以执行指定的I/O操作才解除阻塞。poll函数还可以指定一个最长阻塞时间,如果时间超时,将直接返回。poll函数的函数原型如下:

[cpp]  view plain copy
  1. int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);  

要监测的文件描述符由第一个参数fds指定,它是一个struct pollfd数组,pollfd结构体定义如下:

[cpp]  view plain copy
  1. struct pollfd {  
  2.     int   fd;         /* file descriptor */  
  3.     short events;     /* requested events */  
  4.     short revents;    /* returned events */  
  5. };  

pollfd结构体的第一个成员fd是文件描述符,代表一个打开的文件。第二个成员events是一个输入参数,用于指定poll监测哪些事件(如可读、可写等等)。第三个成员revents是一个输出参数,由内核填充,指示对于文件描述符fd,发生了哪些事件(如可读、可写等等)

poll函数的第二个参数nfds代表监测的文件描述符的个数,即fds数组的成员个数。

poll函数的第三个参数timeout代表阻塞时间(以毫秒为单位),如果poll要求监测的事件没有发生,则poll会阻塞最多timeout毫秒。如果timeout设置为负数,则poll会一直阻塞,直到监测的事件发生。

poll函数如果返回一个正数,代表内核返回了状态(保存在pollfd.revents)的文件描述符的个数。如果poll返回0,表明是因为超时而返回的。如果poll返回-1,表明poll调用出错。

poll函数可以监测哪些状态(pollfd.events指定),以及内核可以返回哪些状态(保存在pollfd.revents),由下面的宏设定:

POLLINThere is data to read.

POLLOUTWriting now will not block.

POLLPRIThere is urgent data to read (e.g., out-of-band data on TCP socket; pseudo-terminal master in packet mode has seen state change in slave).

POLLRDHUP (since Linux 2.6.17) Stream socket peer closed connection, or shut down writing half of connection.  The _GNU_SOURCE feature test macro must be defined in order  to  obtain this definition.

POLLERRError condition (output only).

POLLHUPHang up (output only).

POLLNVALInvalid request: fd not open (output only).

When compiling with _XOPEN_SOURCE defined, one also has the following, which convey no further information beyond the bits listed above:

POLLRDNORMEquivalent to POLLIN.

POLLRDBANDPriority band data can be read (generally unused on Linux).

POLLWRNORMEquivalent to POLLOUT.

POLLWRBANDPriority data may be written.

下面我们看一个测试scullpipe设备的poll操作(内核态poll)的测试程序,该程序使用了我们前面介绍的poll函数(用户态poll)。其代码如下:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <unistd.h>  
  6. #include <linux/poll.h>  
  7. #include <sys/time.h>  
  8. #include <sys/types.h>  
  9. #include <sys/stat.h>  
  10.   
  11. int main(int argc, char *argv[])  
  12. {  
  13.     int fd0, fd1, fd2, fd3;  
  14.     struct pollfd poll_fd[4];  
  15.     char buf[100];  
  16.     int retval;  
  17.   
  18.     if(argc != 2 || ((strcmp(argv[1], "read") != 0) && (strcmp(argv[1], "write") != 0)))  
  19.     {  
  20.         printf("usage: ./poll_test read|write\n");  
  21.         return -1;  
  22.     }  
  23.   
  24.     fd0 = open("/dev/scullpipe0", O_RDWR);  
  25.     if ( fd0 < 0)  
  26.     {  
  27.         printf("open scullpipe0 error\n");  
  28.         return -1;  
  29.     }  
  30.       
  31.     fd1 = open("/dev/scullpipe1", O_RDWR);  
  32.     if ( fd1 < 0)  
  33.     {  
  34.         printf("open scullpipe1 error\n");  
  35.         return -1;  
  36.     }  
  37.       
  38.     fd2 = open("/dev/scullpipe2", O_RDWR);  
  39.     if ( fd2 < 0)  
  40.     {  
  41.         printf("open scullpipe2 error\n");  
  42.         return -1;  
  43.     }  
  44.       
  45.     fd3 = open("/dev/scullpipe3", O_RDWR);  
  46.     if ( fd3 < 0)  
  47.     {  
  48.         printf("open scullpipe3 error\n");  
  49.         return -1;  
  50.     }  
  51.   
  52.     if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  53.     {  
  54.         poll_fd[0].fd = fd0;  
  55.         poll_fd[1].fd = fd1;  
  56.         poll_fd[2].fd = fd2;  
  57.         poll_fd[3].fd = fd3;  
  58.   
  59.         poll_fd[0].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  60.         poll_fd[1].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  61.         poll_fd[2].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  62.         poll_fd[3].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  63.   
  64.         retval = poll(poll_fd, 4, 10000);  
  65.     }  
  66.     else  
  67.     {  
  68.         poll_fd[0].fd = fd0;  
  69.         poll_fd[1].fd = fd1;  
  70.         poll_fd[2].fd = fd2;  
  71.         poll_fd[3].fd = fd3;  
  72.   
  73.         poll_fd[0].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  74.         poll_fd[1].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  75.         poll_fd[2].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  76.         poll_fd[3].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  77.           
  78.         retval = poll(poll_fd, 4, 10000);  
  79.     }  
  80.   
  81.     if (retval == -1)  
  82.     {  
  83.         printf("poll error!\n");  
  84.         return -1;  
  85.     }  
  86.     else if (retval)  
  87.     {  
  88.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  89.         {  
  90.             if(poll_fd[0].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  91.             {  
  92.                 printf("/dev/scullpipe0 is readable!\n");  
  93.                 memset(buf, 0, 100);  
  94.                 read(fd0, buf, 100);  
  95.                 printf("%s\n", buf);  
  96.             }  
  97.   
  98.             if(poll_fd[1].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  99.             {  
  100.                 printf("/dev/scullpipe1 is readable!\n");  
  101.                 memset(buf, 0, 100);  
  102.                 read(fd1, buf, 100);  
  103.                 printf("%s\n", buf);  
  104.             }  
  105.   
  106.             if(poll_fd[2].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  107.             {  
  108.                 printf("/dev/scullpipe2 is readable!\n");  
  109.                 memset(buf, 0, 100);  
  110.                 read(fd2, buf, 100);  
  111.                 printf("%s\n", buf);  
  112.             }  
  113.   
  114.             if(poll_fd[3].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  115.             {  
  116.                 printf("/dev/scullpipe3 is readable!\n");  
  117.                 memset(buf, 0, 100);  
  118.                 read(fd3, buf, 100);  
  119.                 printf("%s\n", buf);  
  120.             }  
  121.         }  
  122.         else  
  123.         {  
  124.             if(poll_fd[0].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  125.             {  
  126.                 printf("/dev/scullpipe0 is writable!\n");  
  127.             }  
  128.   
  129.             if(poll_fd[1].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  130.             {  
  131.                 printf("/dev/scullpipe1 is writable!\n");  
  132.             }  
  133.   
  134.             if(poll_fd[2].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  135.             {  
  136.                 printf("/dev/scullpipe2 is writable!\n");  
  137.             }  
  138.   
  139.             if(poll_fd[3].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  140.             {  
  141.                 printf("/dev/scullpipe3 is writable!\n");  
  142.             }  
  143.         }  
  144.     }  
  145.     else  
  146.     {  
  147.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  148.         {  
  149.             printf("No data within ten seconds.\n");  
  150.         }  
  151.         else  
  152.         {  
  153.             printf("Can not write within ten seconds.\n");  
  154.         }  
  155.     }  
  156.   
  157.     return 0;  
  158. }  

测试过程如下图所示:

LDD3源码分析之poll分析_第1张图片

从上图可以看出,scullpipe0 - scullpipe3都是可写的。但是因为没有向其中写入任何内容,所以读的时候会阻塞住,因为测试程序设置最长阻塞时间为10秒,所以10秒后解除阻塞退出,并打印”No data within ten seconds.”

下面再次测试读操作,因为设备中没有内容,还是阻塞住,但是在10秒钟内,从另外一个终端向/dev/scullpipe2写入数据,这里是写入字符串”hello”,可以看到,写入数据后,测试程序解除阻塞,并打印”/dev/scullpipe2 is readable!””hello”字符串,这个过程如下图所示:

LDD3源码分析之poll分析_第2张图片

 

二、select函数的使用

select函数的作用与poll函数类似,也是监测一组文件描述符是否准备好执行指定的I/O操作。如果没有任何一个文件描述符可以完成指定的操作,select函数会阻塞住。select函数可以指定一个最长阻塞时间,如果超时,则直接返回。

select函数的函数原型如下:

[cpp]  view plain copy
  1. int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,  
  2.                   fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);  

select通过三个独立的文件描述符集(fd_set)readfdswritefdsexceptfds指示监测哪些文件描述符,其中readfds中的文件描述符监测是否可进行非阻塞的读操作。writefds数组中的文件描述符监测是否可进行非阻塞的写操作。exceptfds数组中的文件描述符监测是否有异常(exceptions)

select的第一个参数nfds是三个文件描述符集readfdswritefdsexceptfds中最大文件描述符值加1

select的最后一个参数timeout代表最长阻塞时间。

select函数返回满足指定I/O要求的文件描述符的个数,如果是超时退出的,select函数返回0。如果出错,select函数返回-1

有四个宏用来操作文件描述符集:

void FD_ZERO(fd_set *set);  清空一个文件描述符集。

void FD_SET(int fd, fd_set *set); 将一个文件描述符fd加入到指定的文件描述符集set中。

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 将一个文件描述符fd从指定的文件描述符集set中删除。

int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 测试文件描述符fd是否在指定的文件描述符集set中。

下面我们看使用select函数实现的测试驱动中poll操作的测试程序,其代码如下:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <unistd.h>  
  6. #include <sys/time.h>  
  7. #include <sys/types.h>  
  8. #include <sys/stat.h>  
  9.   
  10. int main(int argc, char *argv[])  
  11. {  
  12.     fd_set rfds, wfds;  
  13.     int fd0, fd1, fd2, fd3;  
  14.     char buf[100];  
  15.     int retval;      
  16.   
  17.     /* Wait up to ten seconds. */  
  18.     struct timeval tv;  
  19.     tv.tv_sec = 10;  
  20.     tv.tv_usec = 0;  
  21.   
  22.     if(argc != 2 || ((strcmp(argv[1], "read") != 0) && (strcmp(argv[1], "write") != 0)))  
  23.     {  
  24.         printf("usage: ./select_test read|write\n");  
  25.         return -1;  
  26.     }  
  27.   
  28.     fd0 = open("/dev/scullpipe0", O_RDWR);  
  29.     if ( fd0 < 0)  
  30.     {  
  31.         printf("open scullpipe0 error\n");  
  32.         return -1;  
  33.     }  
  34.       
  35.     fd1 = open("/dev/scullpipe1", O_RDWR);  
  36.     if ( fd1 < 0)  
  37.     {  
  38.         printf("open scullpipe1 error\n");  
  39.         return -1;  
  40.     }  
  41.       
  42.     fd2 = open("/dev/scullpipe2", O_RDWR);  
  43.     if ( fd2 < 0)  
  44.     {  
  45.         printf("open scullpipe2 error\n");  
  46.         return -1;  
  47.     }  
  48.       
  49.     fd3 = open("/dev/scullpipe3", O_RDWR);  
  50.     if ( fd3 < 0)  
  51.     {  
  52.         printf("open scullpipe3 error\n");  
  53.         return -1;  
  54.     }  
  55.   
  56.     if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  57.     {  
  58.         FD_ZERO(&rfds);  
  59.         FD_SET(fd0, &rfds);  
  60.         FD_SET(fd1, &rfds);  
  61.         FD_SET(fd2, &rfds);  
  62.         FD_SET(fd3, &rfds);  
  63.         retval = select(fd3 + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);  
  64.     }  
  65.     else  
  66.     {  
  67.         FD_ZERO(&wfds);  
  68.         FD_SET(fd0, &wfds);  
  69.         FD_SET(fd1, &wfds);  
  70.         FD_SET(fd2, &wfds);  
  71.         FD_SET(fd3, &wfds);  
  72.         retval = select(fd3 + 1, NULL, &wfds, NULL, &tv);  
  73.     }  
  74.   
  75.     if (retval == -1)  
  76.     {  
  77.         printf("select error!\n");  
  78.         return -1;  
  79.     }  
  80.     else if (retval)  
  81.     {  
  82.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  83.         {  
  84.             if(FD_ISSET(fd0, &rfds))  
  85.             {  
  86.                 printf("/dev/scullpipe0 is readable!\n");  
  87.                 memset(buf, 0, 100);  
  88.                 read(fd0, buf, 100);  
  89.                 printf("%s\n", buf);  
  90.             }  
  91.   
  92.             if(FD_ISSET(fd1, &rfds))  
  93.             {  
  94.                 printf("/dev/scullpipe1 is readable!\n");  
  95.                 memset(buf, 0, 100);  
  96.                 read(fd1, buf, 100);  
  97.                 printf("%s\n", buf);  
  98.             }  
  99.   
  100.             if(FD_ISSET(fd2, &rfds))  
  101.             {  
  102.                 printf("/dev/scullpipe2 is readable!\n");  
  103.                 memset(buf, 0, 100);  
  104.                 read(fd2, buf, 100);  
  105.                 printf("%s\n", buf);  
  106.             }  
  107.   
  108.             if(FD_ISSET(fd3, &rfds))  
  109.             {  
  110.                 printf("/dev/scullpipe3 is readable!\n");  
  111.                 memset(buf, 0, 100);  
  112.                 read(fd3, buf, 100);  
  113.                 printf("%s\n", buf);  
  114.             }  
  115.         }  
  116.         else  
  117.         {  
  118.             if(FD_ISSET(fd0, &wfds))  
  119.             {  
  120.                 printf("/dev/scullpipe0 is writable!\n");  
  121.             }  
  122.   
  123.             if(FD_ISSET(fd1, &wfds))  
  124.             {  
  125.                 printf("/dev/scullpipe1 is writable!\n");  
  126.             }  
  127.   
  128.             if(FD_ISSET(fd2, &wfds))  
  129.             {  
  130.                 printf("/dev/scullpipe2 is writable!\n");  
  131.             }  
  132.   
  133.             if(FD_ISSET(fd3, &wfds))  
  134.             {  
  135.                 printf("/dev/scullpipe3 is writable!\n");  
  136.             }  
  137.         }  
  138.     }  
  139.     else  
  140.     {  
  141.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  142.         {  
  143.             printf("No data within ten seconds.\n");  
  144.         }  
  145.         else  
  146.         {  
  147.             printf("Can not write within ten seconds.\n");  
  148.         }  
  149.     }  
  150.   
  151.     return 0;  
  152. }  

测试过程如下图所示:

LDD3源码分析之poll分析_第3张图片

从上图可以看出,scullpipe0 - scullpipe3都是可写的。但是因为没有向其中写入任何内容,所以读的时候会阻塞住,因为测试程序设置最长阻塞时间为10秒,所以10秒后解除阻塞退出,并打印”No data within ten seconds.”

下面再次测试读操作,因为设备中没有内容,还是阻塞住,但是在10秒钟内,从另外一个终端向/dev/scullpipe2写入数据,这里是写入字符串”hello”,可以看到,写入数据后,测试程序解除阻塞,并打印”/dev/scullpipe2 is readable!””hello”字符串,这个过程如下图所示:

LDD3源码分析之poll分析_第4张图片

 

三、驱动程序中poll操作的实现

用户空间的pollselect函数,最终都会调用驱动程序中的poll函数,其函数原型如下:

[cpp]  view plain copy
  1. unsigned int (*poll) (struct file *filp, poll_table *wait);  

poll函数应该实现两个功能:

一是把能标志轮询状态变化的等待队列加入到poll_table中,这通过调用poll_wait函数实现。

二是返回指示能进行的I/O操作的标志位。

poll函数的第二个参数poll_table,是内核中用来实现pollselect系统调用的结构体,对于驱动开发者来说,不必关心其具体内容,可以把poll_table看成是不透明的结构体,只要拿过来使用就可以了。驱动程序通过poll_wait函数,把能够唤醒进程,改变轮询状态的等待队列加入到poll_table中。该函数定义如下:

[cpp]  view plain copy
  1. void poll_wait (struct file *, wait_queue_head_t *, poll_table *);  

对于poll函数的第二个功能,返回的标志位与用户空间相对应,最常用的标志位是POLLIN | POLLRDNORMPOLLOUT | POLLWRNORM,分别标志可进行非阻塞的读和写操作。

下面看scullpipe设备对poll操作的实现,其内容其实非常简单:

[cpp]  view plain copy
  1. 228static unsigned int scull_p_poll(struct file *filp, poll_table *wait)  
  2. 229{  
  3. 230    struct scull_pipe *dev = filp->private_data;  
  4. 231    unsigned int mask = 0;  
  5. 232  
  6. 233    /* 
  7. 234     * The buffer is circular; it is considered full 
  8. 235     * if "wp" is right behind "rp" and empty if the 
  9. 236     * two are equal. 
  10. 237     */  
  11. 238    down(&dev->sem);  
  12. 239    poll_wait(filp, &dev->inq,  wait);  
  13. 240    poll_wait(filp, &dev->outq, wait);  
  14. 241    if (dev->rp != dev->wp)  
  15. 242        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;    /* readable */  
  16. 243    if (spacefree(dev))  
  17. 244        mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;   /* writable */  
  18. 245    up(&dev->sem);  
  19. 246    return mask;  
  20. 247}  

239行,调用poll_wait函数将读等待队列加入到poll_table中。

240行,调用poll_wait函数将写等待队列加入到poll_table中。

241 - 242行,如果有内容可读,设置可读标志位。

243 - 244行,如果有空间可写,设置可写标志位。

246行,将标志位返回。

驱动程序中的poll函数很简单,那么内核是怎么实现pollselect系统调用的呢?当用户空间程序调用pollselect函数时,内核会调用由用户程序指定的全部文件的poll方法,并向它们传递同一个poll_table结构。poll_table结构其实是一个生成实际数据结构的函数(名为poll_queue_proc)的封装,这个函数poll_queue_proc,不同的应用场景,内核有不同的实现,这里我们不仔细研究对应的函数。对于pollselect系统调用来说,这个实际数据结构是一个包含poll_table_entry结构的内存页链表。这里提到的相关数据结构在linux-2.6.32-38源码中,定义在include/linux/poll.h文件中,代码如下所示:

[cpp]  view plain copy
  1. 30/* 
  2. 31 * structures and helpers for f_op->poll implementations 
  3. 32 */  
  4. 33typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);  
  5. 34  
  6. 35typedef struct poll_table_struct {  
  7. 36    poll_queue_proc qproc;  
  8. 37    unsigned long key;  
  9. 38} poll_table;  
  10. 39  
  11. 40static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)  
  12. 41{  
  13. 42    if (p && wait_address)  
  14. 43        p->qproc(filp, wait_address, p);  
  15. 44}  
  16. 45  
  17. 46static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)  
  18. 47{  
  19. 48    pt->qproc = qproc;  
  20. 49    pt->key   = ~0UL; /* all events enabled */  
  21. 50}  
  22. 51  
  23. 52struct poll_table_entry {  
  24. 53    struct file *filp;  
  25. 54    unsigned long key;  
  26. 55    wait_queue_t wait;  
  27. 56    wait_queue_head_t *wait_address;  
  28. 57};  

poll操作我们就分析完了,内核要求驱动程序做的事并不多,但是我们在学习时,要把poll操作和前面介绍的阻塞型read/write函数以及scullpipe设备的等待队列等结合起来考虑,因为scullpipe设备是一个完整的程序模块。

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