linux设备驱动归纳总结（三）：6.poll和sellct
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接下来会讲系统调用select在驱动中的实现，如果对系统调用select不太懂的话，建议先看书补习一下。
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一、系统调用select的简介
简单来说，select这个系统调用的作用就是在应用层调用驱动函数中的poll来检测指定的文件的状态（读、写和异常）。如果某个状态满足，select函数调用成功后返回，应用程序就可以通过指定的函数来判断现在的文件状态。注意的是：select可以指定判断的时间，指定时间内，应用程序会阻塞在select函数，直到状态满足或者超时。
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二、驱动函数poll的实现
先上代码：
9 #include <linux/poll.h>
10
11 #include <asm/uaccess.h>
12 #include <linux/errno.h>
。。。。。。省略。。。。。。
23 struct _test_t{
24 char kbuf[DEV_SIZE];
25 unsigned int major;
26 unsigned int minor;
27 unsigned int cur_size;
28 dev_t devno;
29 struct cdev test_cdev;
30 wait_queue_head_t test_queue;
31 wait_queue_head_t read_queue; //定义等待队列
32 };
。。。。。。省略。。。。。。。
70 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
71 {
72 int ret;
73 struct _test_t *dev = filp->private_data;
74
75 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
76 ret = - EFAULT;
77 }else{
78 ret = count;
79 dev->cur_size += count;
80 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
81 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
82 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);
83 wake_up_interruptible(&dev->read_queue); //唤醒等待队列
84 }
85
86 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
87 }
88 /*poll的实现*/
89 unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)
90 {
91 struct _test_t *dev = filp->private_data;
92 unsigned int mask = 0;
93
94 poll_wait(filp, &dev->read_queue, table);
95
96 if(dev->cur_size > 0) //设备可读
97 mask |= POLLIN;
98
99 P_DEBUG("***maks[%d]***\n", mask);
100 return mask;
101 }
102
103 struct file_operations test_fops = {
104 .open = test_open,
105 .release = test_close,
106 .write = test_write,
107 .read = test_read,
108 .poll = test_poll, //切记要添加，不然多牛X的代码都不能执行
109 };
110
111 struct _test_t my_dev;
112
113 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
114 {
115 int result = 0;
116 my_dev.cur_size = 0;
117 my_dev.major = 0;
118 my_dev.minor = 0;
119
120 if(my_dev.major){
121 my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);
122 result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;
123 }else{
124 result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");
125 my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);
126 my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);
127 }
128
129 if(result < 0){
130 P_DEBUG("register devno errno!\n");
131 goto err0;
132 }
133
134 printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);
135
136 cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);
137 my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;
138 /*初始化等待队列头，注意函数调用的位置*/
139 init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);
140 init_waitqueue_head(&my_dev.read_queue);
141
142 result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);
143 if(result < 0){
144 P_DEBUG("cdev_add errno!\n");
145 goto err1;
146 }
147
148 printk("hello kernel\n");
149 return 0;
150
151 err1:
152 unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);
153 err0:
154 return result;
155 }
。。。。。省略。。。。。
poll函数的实现同样需要使用等待队列，在这里没有把上节阻塞型IO代码注释掉，主要是想说明一个问题，它们两个的功能是不一样的，并不会冲突。后面会具体讲述。
上面的函数其实也就三部：
1定义并初始化等待队列头；
2实现test_poll；
3唤醒等待队列。
接下来先对照程序说一下poll函数的实现：
1）定义等待队列头：
poll_wait函数里面的操作需要用到等待队列，所以需要定义并初始化等待队列头。
2）test_poll的实现：
test_poll的实现有两个步骤：
2.1）调同poll_wait，将进程添加到指定的等待队列（注意，仅仅是添加，没有休眠）。
poll_wait的原型是：
unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)
注意：这里的两个参数都不是用户传给它的，全部都是有内核传的。可以这样说，poll没有做实际的什么操作，只是返回些信息给内核来操作。
来个代码来分析poll_wait究竟干了什么：
/*include/linux/poll.h */
31 typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);
32
33 typedef struct poll_table_struct { //poll_table_struct的原型
34 poll_queue_proc qproc;
35 } poll_table;
36
37 static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
38 {
39 if (p && wait_address)
40 p->qproc(filp, wait_address, p); //这里就断了线索
41 }
42
43 static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)
44 {
45 pt->qproc = qproc;
46 }
47
48 struct poll_table_entry {
49 struct file *filp;
50 wait_queue_t wait;
51 wait_queue_head_t *wait_address;
52 };
。。。。。省略。。。。。
57 struct poll_wqueues {
58 poll_table pt;
59 struct poll_table_page *table;
60 struct task_struct *polling_task;
61 int triggered;
62 int error;
63 int inline_index;
64 struct poll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];
65 };
poll_wait执行了一个函数，但没找出函数是做什么的。在另外的文件我找到一点线索：
/*fs/select.c*/
85 struct poll_table_page {
86 struct poll_table_page * next;
87 struct poll_table_entry * entry;
88 struct poll_table_entry entries[0];
89 };
。。。。。。。。
198 /* Add a new entry */
199 static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
200 poll_table *p)
201 {
202 struct poll_wqueues *pwq = container_of(p, struct poll_wqueues, pt);
203 struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
204 if (!entry)
205 return;
206 get_file(filp);
207 entry->filp = filp;
208 entry->wait_address = wait_address;
209 init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake);
210 entry->wait.private = pwq;
211 add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
212 }
因为函数的传参和名字都差不多，我猜想内核是调用该函数的。
从上面的代码和《设备驱动程序》我得出来一下的结论：
1.应用层调用函数select，内核为了管理等待队列（有时候不止一个等待队列，因为select函数可以检测多个文件的状态），建立了一个poll_table_struct结构体（一个select系统调用对应一个结构体）。
2.poll_wait函数的调用，将三个参数传给了内核。内核中，通过结构体poll_table_struct找到另一个结构体poll_table_page，上面的代码可以看出来，这个结构体是一个维护多个poll_table_entry结构体的内存页链表，poll_wait函数的参数就是传到poll_table_entry结构体中。
3.再看一下poll_table_entry里面的成员，第一个成员srutct file是poll_wait的第一个参数，第二个成员就是定义了一个wait_queue_t的结构体，而这个结构体是正要添加到等待队列头中，也就是从poll_wait传来的第二个参数。
4.现在重头戏了，poll_wait的调用实际上调用了__pollwiat。看一下大概的操作：
4.1使用container_of函数，通过poll_table（即poll_table_struct）找到poll_wqueues，一看名字就猜到，它是存放等待队列的！poll_wqueues包含成员poll_table_page。
4.2通过传入的filp和等待队列头两个参数，新建一个poll_table_enter并添加到poll_table_page中。
2.2）对应设备的状态，返回相应的掩码。那就是说，如果设备可读，那就返回可读的掩码。
什么是掩码？有什么掩码？
| 掩码 |
含义 |
| POLLIN |
设备可读。 |
| POLLRDNORM |
数据可读。一般的，驱动可读，返回(POLLIN|POLLRDNORM)，当然，只返回POLLIN也行，因为意思其实都可不多 |
| POLLOUT |
设备可写 |
| POLLWRNORM |
数据可写。一般的，驱动可写，返回(POLLOUT|POLLWRNORM)，当然，只返回POLLOUT也行，因为意思其实都可不多 |
当然，还有其他的掩码，我这里就不意义介绍。
3）唤醒等待队列
其实一开始我也很奇怪为什么需要唤醒，毕竟poll_wait函数并不会导致休眠。为什么要唤醒？在哪里唤醒？
我上面的驱动函数，test_poll返回掩码，如果掩码为0，则表示设备不可读，这时，内核接到返回的掩码，知道设备不可读，此时select函数就会阻塞，进程休眠，等待有数据时被唤醒。所以，在写入数据后，需要唤醒等待队列头read_queue。此时设备可读了，就会再次调用test_poll函数，返回掩码POLLIN，select调用成功。
所以，这里得出两个结论：
1.test_poll并不会导致休眠，进程阻塞是系统调用select搞的鬼。
2.系统调用select的阻塞会导致test_poll被调用多次。
既然大概知道了函数怎么写的。那就验证一下程序吧。应用程序我就不贴了。在app目录下，直接来结果：
现象一：先写后读
[root: 1st]# insmod test.ko
major[253] minor[0]
hello kernel
[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0
[root: app]# ./monitor& //1.先后台运行检测程序monitor
<kernel>[test_poll]***maks[0]*** //2.在我还没写之前，test_poll被调度了两遍后阻塞
<kernel>[test_poll]***maks[0]***
[root: app]# ./app_write //3过了一段时间，我写入数据
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_poll]***maks[1]*** //4.test_poll再次被调用，掩码改变了！
<app>monitor:[device readable]
[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[1]***
<app>monitor:[device readable] //5select隔四秒就调用一遍，没有被阻塞
<kernel>[test_poll]***maks[1]***
<app>monitor:[device readable]
<kernel>[test_poll]***maks[1]***
<app>monitor:[device readable]
<kernel>[test_poll]***maks[1]***
<app>monitor:[device readable]
[root: app]# ./app_read //6我读数据
<kernel>[test_read]read data.....
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]
<app_read>[xiao bai]
[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[0]*** //7读完他又阻塞了。
现象二：先写后读
[root: app]# ./monitor& //1.先后台运行检测程序monitor
<kernel>[test_poll]***maks[0]*** //2.在我还没写之前，test_poll被调度了两遍后阻塞
<kernel>[test_poll]***maks[0]***
[root: app]# ./app_read& //3.再后台运行read
[root: app]# <kernel>[test_read]read data..... //4.它阻塞了，这里不关poll的原因，这是因为上节说的阻塞型IO
[root: app]# ./app_write //5.再写数据
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_poll]***maks[1]*** //select被唤醒，返回可读掩码
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //test_read被唤醒，读取数据
<app>monitor:[device readable]
<app_read>[xiao bai]
[2] + Done ./app_read
[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[0]*** //没数据，select又阻塞了
注：上面的驱动程序使用了两个等待队列头，细心可以发现，其实只要一个等待队列头，就可以实现阻塞型IO和poll了。具体就不讲解了，程序在3rd_char_6/and，很简单的改动。
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三、poll同时检测可读和可写两个状态：
也很简单，直接上程序
/*3rd_char_6/2st/test.c*/
23 struct _test_t{
24 char kbuf[DEV_SIZE];
25 unsigned int major;
26 unsigned int minor;
27 unsigned int cur_size;
28 dev_t devno;
29 struct cdev test_cdev;
30 wait_queue_head_t test_queue;
31 wait_queue_head_t read_queue; //定义两个等待队列
32 wait_queue_head_t write_queue;
33 };
。。。。。。省略。。。。。。。
48 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
49 {
50 int ret;
51 struct _test_t *dev = filp->private_data;
52
53 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
54 return - EAGAIN;
55
56 P_DEBUG("read data.....\n");
57 if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))
58 return - ERESTARTSYS;
59
60 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){
61 ret = - EFAULT;
62 }else{
63 ret = count;
64 dev->cur_size -= count;
65 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
66 wake_up_interruptible(&dev->write_queue);
67 }
68
69 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
70 }
71
72 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
73 {
74 int ret;
75 struct _test_t *dev = filp->private_data;
76
77 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
78 ret = - EFAULT;
79 }else{
80 ret = count;
81 dev->cur_size += count;
82 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
83 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
84 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);
85 wake_up_interruptible(&dev->read_queue);
86 }
87
88 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
89 }
90
91 unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)
92 {
93 struct _test_t *dev = filp->private_data;
94 unsigned int mask = 0;
95
96 poll_wait(filp, &dev->read_queue, table);
97 poll_wait(filp, &dev->write_queue, table);
98
99 if(dev->cur_size > 0) //设备可读
100 mask |= POLLIN;
101 if(dev->cur_size < DEV_SIZE) //设备可写
102 mask |= POLLOUT;
103
104 P_DEBUG("***************************\n");
105 return mask;
106 }
107
108 struct file_operations test_fops = {
109 .open = test_open,
110 .release = test_close,
111 .write = test_write,
112 .read = test_read,
113 .poll = test_poll,
114 };
115
116 struct _test_t my_dev;
117
118 static int __init test_init(void) //模块初始化函数
119 {
120 int result = 0;
121 my_dev.cur_size = 0;
122 my_dev.major = 0;
123 my_dev.minor = 0;
124
125 if(my_dev.major){
126 my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);
127 result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;
128 }else{
129 result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");
130 my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);
131 my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);
132 }
133
134 if(result < 0){
135 P_DEBUG("register devno errno!\n");
136 goto err0;
137 }
138
139 printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);
140
141 cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);
142 my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;
143 /*初始化等待队列头，注意函数调用的位置*/
144 init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);
145 init_waitqueue_head(&my_dev.read_queue);
146 init_waitqueue_head(&my_dev.write_queue);
147
148 result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);
149 if(result < 0){
150 P_DEBUG("cdev_add errno!\n");
151 goto err1;
152 }
153
154 printk("hello kernel\n");
155 return 0;
156
157 err1:
158 unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);
159 err0:
160 return result;
161 }
。。。。。。。省略。。。。。。。
验证一下：注意的是，这次的select并没有阻塞，原因很简单，要不就可读要不就可写，肯定有掩码返回，根本不用阻塞。
[root: app]# ./monitor& //1.执行建材程序
[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[4]***//2每个四秒调用一次select,没阻塞
<app>monitor:[device writeable]
<kernel>[test_poll]***mask[4]***
<app>monitor:[device writeable]
<kernel>[test_poll]***mask[4]***
<app>monitor:[device writeable]
[root: app]# ./app_write //3写入数据
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[5]***
<app>monitor:[device readable] //4掩码改变，但没有阻塞
<app>monitor:[device writeable]
<kernel>[test_poll]***mask[5]***
<app>monitor:[device readable]
<app>monitor:[device writeable]
<kernel>[test_poll]***mask[5]***
<app>monitor:[device readable]
<app>monitor:[device writeable]
[root: app]# ./app_read //5读取数据
<kernel>[test_read]read data.....
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]
<app_read>[xiao bai]
[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[4]***
<app>monitor:[device writeable] //6掩码改变，但没有阻塞
<kernel>[test_poll]***mask[4]***
<app>monitor:[device writeable]
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四、select的阻塞操作
上面说了select会造成休眠，接下来简单的谈谈。select里面会调用函数do_select。
贴上程序，并附上大致的运行顺序：
/*fs/select.c*/
365 int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
366 {
367 ktime_t expire, *to = NULL;
368 struct poll_wqueues table; //1.这个就是前面说用来方等待队列的poll_wqueues
。。。。省略。。。。
380
381 poll_initwait(&table);
382 wait = &table.pt;
383 if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
384 wait = NULL;
385 timed_out = 1;
386 }
387
388 if (end_time && !timed_out)
389 slack = estimate_accuracy(end_time);
390
391 retval = 0;
392 for (;;) { //2.注意这个大循环，如果条件不成立休眠后，唤醒正在这个大循环里
393 unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;
394
395 inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
396 rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;
397
398 for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
。。。。。省略。。。。。
411 for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {
412 int fput_needed;
413 if (i >= n)
414 break;
415 if (!(bit & all_bits))
416 continue;
417 file = fget_light(i, &fput_needed);
418 if (file) { //3.循环里面里边所有所有被检测的filp
419 f_op = file->f_op;
420 mask = DEFAULT_POLLMASK;
421 if (f_op && f_op->poll) //4.调用我们实现的poll函数，这也是poll被多次调用的原因，以为他在循环里面。
422 mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);
423 fput_light(file, fput_needed);
424 if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) { //5.判断poll返回的掩码，只要掩码不是0，下面的起码有一个条件会实现。retval++。
425 res_in |= bit;
426 retval++;
427 }
428 if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
429 res_out |= bit;
430 retval++;
431 }
432 if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
433 res_ex |= bit;
434 retval++;
435 }
436 }
437 }
438 if (res_in)
439 *rinp = res_in;
440 if (res_out)
441 *routp = res_out;
442 if (res_ex)
443 *rexp = res_ex;
444 cond_resched();
445 }
446 wait = NULL;
447 if (retval || timed_out || signal_pending(current))//6.如果条件成立或者 延时或者被中断
448 break; //7.调用break跳出大循环，do_select调用完毕
449 if (table.error) {
450 retval = table.error;
451 break;
452 }
453
454 /*
455 * If this is the first loop and we have a timeout
456 * given, then we convert to ktime_t and set the to
457 * pointer to the expiry value.
458 */
459 if (end_time && !to) {
460 expire = timespec_to_ktime(*end_time);
461 to = &expire;
462 }
463 /*8如果上面的条件没有成立，走到这里，进程状态改变有TASK_INTERRUPTIBLE，并加入指定的等待队列头，让出CPU，进程休眠，等待唤醒*/
464 if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE,
465 to, slack))
466 timed_out = 1;
467 }
468
469 poll_freewait(&table);
470
471 return retval;
472 }
上面只是想说明：poll只是做了一个判断工作，真正的阻塞在select中。
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五、总结：
今天内容有讲完了，讲了以下内容：
1、poll的实现：
1.1调用poll_wait
1.2返回掩码。
2.poll_wait的实现。
3.select中的阻塞。
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源代码： 3rd_char_6.rar