linux设备驱动归纳总结（三）：5.阻塞型IO实现
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一、休眠简介：
进程休眠，简单的说就是正在运行的进程让出CPU。休眠的进程会被内核搁置在在一边，只有当内核再次把休眠的进程唤醒，进程才会会重新在CPU运行。这是内核中的进程调度，以后的章节会介绍。
现在应该先知道这样的一个概念，一个CPU在同一时间只能有一个进程在运行，在宏观上，我们觉得是所有进程同时进行的。实际上并不是这样，内核给每个进程分配了4G的虚拟内存，并且让每个进程傻乎乎的以为自己霸占着CPU运行。同时，内核暗中的将所有的进程按一定的算法将CPU轮流的给每个进程使用，而休眠就是进程没有被运行时的一种形式。在休眠下，进程不占用CPU，等待被唤醒。
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二、阻塞型IO的实现：
知道什么是休眠，接下来就好办了。接下来就是要实现阻塞型的read和write函数，函数将实现一下功能：
read：当没数据可读时，函数让出CPU，进入休眠状态，等待write写入数据后唤醒read。
write：写入数据，并唤醒read。
先上函数：我只上需要修改的函数，open和release就不贴了
/*3rd_char_5/1st/test.c*/
1 #include <linux/module.h>
2 #include <linux/init.h>
3 #include <linux/fs.h>
4 #include <linux/cdev.h>
5
6 #include <linux/wait.h>
7 #include <linux/sched.h>
8
9 #include <asm/uaccess.h>
10 #include <linux/errno.h>
11
12 #define DEBUG_SWITCH 1
13 #if DEBUG_SWITCH
14 #define P_DEBUG(fmt, args...) printk("<1>" "<kernel>[%s]"fmt, __FUNCT ION__, ##args)
15 #else
16 #define P_DEBUG(fmt, args...) printk("<7>" "<kernel>[%s]"fmt, __FUNCT ION__, ##args)
17 #endif
18
19 #define DEV_SIZE 100
20
21 struct _test_t{
22 char kbuf[DEV_SIZE];
23 unsigned int major;
24 unsigned int minor;
25 unsigned int cur_size;
26 dev_t devno;
27 struct cdev test_cdev;
28 wait_queue_head_t test_queue; //1、定义等待队列头
29 };
30
。。。。。。省略。。。。。。。
43
44 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
45 {
46 int ret;
47 struct _test_t *dev = filp->private_data;
48
49 /*休眠*/
50 P_DEBUG("read data.....\n");
51 if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))
52 return - ERESTARTSYS;
53
54 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){
55 ret = - EFAULT;
56 }else{
57 ret = count;
58 dev->cur_size -= count;
59 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
60 }
61
62 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
63 }
64
65 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
66 {
67 int ret;
68 struct _test_t *dev = filp->private_data;
69
70 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
71 ret = - EFAULT;
72 }else{
73 ret = count;
74 dev->cur_size += count;
75 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
76 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
77 /*唤醒*/
78 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);
79 }
80
81 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
82 }
83
84 struct file_operations test_fops = {
85 .open = test_open,
86 .release = test_close,
87 .write = test_write,
88 .read = test_read,
89 };
90
91 struct _test_t my_dev;
92
93 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
94 {
95 int result = 0;
96 my_dev.cur_size = 0;
97 my_dev.major = 0;
98 my_dev.minor = 0;
99
100 if(my_dev.major){
101 my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);
102 result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;
103 }else{
104 result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");
105 my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);
106 my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);
107 }
108
109 if(result < 0){
110 P_DEBUG("register devno errno!\n");
111 goto err0;
112 }
113
114 printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);
115
116 cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);
117 my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;
118 /*初始化等待队列头，注意函数调用的位置*/
119 init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);
120
121 result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);
122 if(result < 0){
123 P_DEBUG("cdev_add errno!\n");
124 goto err1;
125 }
126
127 printk("hello kernel\n");
128 return 0;
129
130 err1:
131 unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);
132 err0:
133 return result;
134 }
为了方便讲解，函数我精简了很多，红色好亮代码是新加的知识点，其他都是之前已经讲过的。
下面开始介绍上面使用的知识：
知识1）什么是等待队列。
前面说了进程休眠，而其他进程为了能够唤醒休眠的进程，它必须知道休眠的进程在哪里，出于这样的原因，需要有一个称为等待队列的结构体。等待队列是一个存放着等待某个特定事件进程链表。
在这里的程序，用于存放等待唤醒的进程。
既然是队列，当然要有个队列头，在使用等待队列之前，必须先定义并初始化等待队列头。
先看一下队列头的样子：
/*linux/wait.h*/
50 struct __wait_queue_head {
51 spinlock_t lock; //这个是自旋锁，在这里不需要理会。
52 struct list_head task_list; //这就是队列头中的核心，链表头。
53 };
54 typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
说白了就是定义并初始化一个链表。以后就能够在这个链表添加需要等待的进程了。
定义并初始化队列头有两种方法：
1）静态定义并初始化，一个函数执行完两个操作。省力又省心。
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)
使用：定义并初始化一个叫name的等待队列。
2）分开两步执行。
2.1）定义
wait_queue_head_t test_queue;
2.2）初始化
init_waitqueue_head(&test_queue);
我使用的是第二种方法，这些都是在加载模块时应该完成的操作。其中，等待队列头的定义我放在”struct _test_t”结构体中，初始化放在模块加载函数中。
这里值得注意的是初始化函数的位置，它必须在cdev添加函数”cdev_add”前。因为”cdev_add”执行成功就意味着设备可以被操作，设备被操作前当然需要把所有的事情都干完，包括等待队列的初始化。
知识2）进程休眠
在test_read函数中就实现了进程休眠，使用了函数”wait_evenr_interruptible”。
wait_event_interruptible(wq, condition)
使用：
如果condition为真，函数将进程添加到等待队列头wq并等待唤醒。
返回值：
添加成功返回0。另外，interruptition的意思是休眠进程可以被某个信号中断中断，如果被中断，驱动程序应该返回-ERESTARTSYS。
这有一类的函数，操作跟”wait_evevt_interruptition”类似
wait_event(queue, condition)
/*函数成功会进入不可中断休眠,不推荐*/
wait_event_interruptible(queue, condition)
/*函数调用成功会进入可中断休眠，推荐，返回非零值意味着休眠被中断,且驱动应返回-ERESTARTSYS*/
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
/*比上面两个函数多了限时功能，若休眠超时，则不管条件为何值返回0，*/
上面的四个函数大致都是完成一下的操作：
以wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0)举例：
1、定义并初始化一个wait_queue_t结构体，然后将它添加到等待队列test_queue中。
2、更改进程的状态，休眠的状态有两种：（可中断休眠）TASK_INTERRUPTIBLE和（不可中断休眠）TASK_UNINTERRUPTIBLE。上面的函数会切换到可中断休眠。
3、判断条件 dev->cur_size > 0是否成立，如果不成立，则调用函数schedule()让出CPU。注意，一旦让出CPU进入休眠后，进程再次被唤醒后就会从这一步开始，再次检测条件是否成立，如果还是不成立，继续让出CPU，等待下一次的唤醒。如果成立，则进行下一步的操作。所以，这个函数的条件会被多次判断，因此这个判断语句并不能对这个进程带来任何副作用。
4、条件成立后做一些相应的清理工作，并把进程状态更改为TASK_RUNNING。
我刚学的时候还在纳闷，为什么定义了一个队列头后，就可以在test_read函数直接根据条件进入休眠？
现在我总算是明白了。进程休眠是需要在等待队列添加一个wait_queue_t结构体，但是上面的休眠函数内部已经帮我们实现了这个操作。
既然上面的函数有四个操作，内核肯定会有拆分出来的操作。这就是《linux设备驱动程序》（第三版）P155上面讲的高级休眠。有兴趣可以自己看书。
知识3）唤醒休眠进程。
在test_write函数中使用wake_up_interruptible(&dev->test_queue)唤醒指定等待队列中睡眠的进程。
这里也有两个类似的函数：
void wake_up(wait_queue_head_t *queue); //唤醒等待队列中所有休眠的进程
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue); //唤醒等待队列中所有可中断睡眠的进程
一般来说，用 wake_up 唤醒 wait_event ；用 wake_up_interruptible 唤醒wait_event_interruptible。
一旦上面的函数调用成功，等待队列里面所有符合休眠状态的进程都会被唤醒，所有进程都会执行上面说的休眠函数的第三步——轮流占用CPU来是判断时候否符合条件。一旦有一个进程符合条件，那个进程就会运行下去，其他进程变回原来的休眠状态等待下一次的被唤醒。如果全部都不符合，全部都会变回原来的休眠状态。
《linux设备驱动程序》P160有介绍独占等待的概念，大概的意思就是不要让所有符号休眠状态的进程同时被唤醒，只唤醒其中的一个。
知识点已经介绍完，总结一下上面驱动函数的操作：
1）首先需要定义并初始化一个等待队列。
2）test_read函数中，如果条件不符合，调用该函数的进程就会进入休眠。
3）每当另一个进程调用test_write函数唤醒等待队列，test_read中的函数就会再一次判断条件是否符合，如果不符合，就会继续休眠，直到哪次的唤醒时条件符合。
写两个应用程序验证驱动：
/*app_read.c*/
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5
6 int main(void)
7 {
8 char buf[20];
9 int fd;
10 int ret;
11
12 fd = open("/dev/test", O_RDWR);
13 if(fd < 0)
14 {
15 perror("open");
16 return -1;
17 }
18
19 read(fd, buf, 10);
20 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
21
22 close(fd);
23 return 0;
24 }
/*app_write*/
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5
6 int main(void)
7 {
8 char buf[20];
9 int fd;
10 int ret;
11
12 fd = open("/dev/test", O_RDWR);
13 if(fd < 0)
14 {
15 perror("open");
16 return -1;
17 }
18
19 write(fd, "xiao bai", 10);
20
21 close(fd);
22 return 0;
23 }
验证一下：
[root: 1st]# insmod test.ko
major[253] minor[0]
hello kernel
[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0
[root: 1st]# ./app_read& //先后台运行app_read
<kernel>[test_read]read data..... //因为没有数据，程序阻塞
[root: 1st]# ./app_write //再运行app_write
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //read继续执行
<app>buf is [xiao bai] //打印读到的内容
[1] + Done ./app_read
[root: 1st]#
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三、非阻塞型操作的实现
上面的程序虽然不是很完善，但基本的功能已经实现了，但还有一个问题需要解决，当我们在应用层以非阻塞方式打开文件时，读写操作不满足条件时并不阻塞，而是直接返回。
实现非阻塞操作也很简单，判断filp->f_flags中的是否存在O_NONBLOCK标志（标志在<linux/fcntl.h>定义，并被<linux/fs.h>自动包含），如果有就返回-EAGAIN。
贴上修改后的程序，其实就加了两行：
/*3rd_char_5/2nd/test.c*/
44 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
45 {
46 int ret;
47 struct _test_t *dev = filp->private_data;
48
49 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
50 return - EAGAIN;
51
52 /*休眠*/
53 P_DEBUG("read data.....\n");
54 if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))
55 return - ERESTARTSYS;
56
57 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){
58 ret = - EFAULT;
59 }else{
60 ret = count;
61 dev->cur_size -= count;
62 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
63 }
64
65 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
66 }
再来个应用程序：
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/stat.h>
4 #include <fcntl.h>
5 #include <errno.h>
6
7 int main(void)
8 {
9 char buf[20];
10 int fd;
11 int ret;
12
13 fd = open("/dev/test", O_RDWR | O_NONBLOCK);
14 if(fd < 0)
15 {
16 perror("open");
17 return -1;
18 }
19
20 ret = read(fd, buf, 10);
21 if (ret = -1) 检查错误的原因
22 {
23 perror("open");
24 printf("errno = %d\n", errno);
25 }
26 else
27 {
28 printf("<app>buf is [%s]\n", buf);
29 }
30
31 close(fd);
32 return 0;
33 }
验证一下：
[root: 2nd]# ./app_read
open: Resource temporarily unavailable
errno = 29 //这就是-EAGAIN错误号返回给用户态的errno
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四、总结
上面讲了四个内容：
1什么是休眠.
2什么是等待队列
3怎么通过等待队列把进程休眠
4怎么唤醒进程
其中有三处处扩展：
1我只是实现了read的阻塞性IO，在一般的驱动中，write也是有阻塞功能的，大家可以尝试实现。
2我只介绍了如何使用最简单的函数把进程休眠，在《linux设备驱动程序》有介绍高级休眠，其实就是细说wait_event的内部是用什么函数实现——我上面讲述的四个步骤。
3.唤醒进程时的高级操作——独占等待。
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源代码：
3rd_char_5.rar