【Linux学习笔记】阻塞和非阻塞IO
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【Linux学习笔记】pinctrl和gpio子系统
【Linux学习笔记】Linux 并发与竞争
【Linux学习笔记】Linux内核定时器
【Linux学习笔记】Linux中断
本系列使用的开发板为正点原子阿尔法IMX6ULL开发板，及根据正点原子所的提供教程学习同系列笔记已放置链接在上面。
文章目录
- 系列文章目录
- 一、等待队列
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- 1.1、等待队列头
- 1.2、等待队列项
- 1.3 将队列项添加/移除等待队列头
- 1.4 等待唤醒
- 1.5 等待事件
- 二、轮询
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- 2.1 select函数
- 2.2 poll函数
- 2.3 epoll函数
- 2.4 Linux驱动下的poll操作函数
- 2.5 完整调用过程
这里的IO指的是Input/Output，也就是输入输出，是应用程序对驱动设备的输入/输出操作。
对于阻塞式IO：在应用程序对设备驱动进行操作的时候，如果获取不到设备资源，就会将应用程序对应的线程挂起，直到设备资源可以获取为止。
对于非阻塞式IO：应用程序对应的线程不会挂起，要么一直轮询等待，要么直接放弃。
fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR); /* 阻塞方式打开 */
fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞方式打开 */
一、等待队列
1.1、等待队列头
阻塞访问最大的好处就是当设备文件不可操作的时候进程可以进入休眠态，这样可以将CPU资源让出来，但是，当设备文件可以操作的时候就必须唤醒进程，一般在中断函数里面完成唤醒工作。Linux内核提供了等待队列来实现阻塞进程的唤醒工作，如需使用等待队列，必须创建并初始化一个等待队列头，等待队列头使用结构体wait_queue_head_t 表示，wait_queue_head_t 结构体定义在文件 include/linux/wait.h 中，结构体内容如下所示：
struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock;
struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
定义好后需使用init_waitqueue_head 函数初始化等待队列头
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
或
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD
这是个宏，可以一次性完成等待队列头的定义和初始化
1.2、等待队列项
等待队列头就是等待队列的头部，每个访问设备的进程都是一个队列项，当设备不可用的时候就要将这些进程对应的等待队列项添加到等待队列里面，结构体 wait_queue_t 表示等待队列项，结构体内容如下：
struct __wait_queue {
unsigned int flags;
void *private;
wait_queue_func_t func;
struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue wait_queue_t;
也可以使用宏
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)
完成定义并初始化。其中name就是等待队列项的名字，tsk表示这个等待队列项属于哪个进程，一般设置为current（在Linux内核中相当于一个全局变量，表示当前进程）。这个宏的意思就是给当前正在运行的进程创建并初始化了一个等待队列项。
等待队列项按照先进先出的原则
1.3 将队列项添加/移除等待队列头
当设备不可访问的时候就需要将进程对应的等待队列项添加到前面创建的等待队列头中，中油添加到等待队列头中以后的进程才能进入休眠态，当设备可以访问以后再将进程对应的等待队列项从等待队列头中移除即可，等待队列项添加API函数如下：
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)
q：等待队列项要加入的等待队列头。
wait：要加入的等待队列项。
返回值：无。
等待队列项移除 API 函数如下：
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)
q：要删除的等待队列项所处的等待队列头。
wait：要删除的等待队列项。
返回值：无。
1.4 等待唤醒
单设备可以使用的时候就要唤醒进入休眠态的进程，唤醒可以使用如下两个函数：
void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)
q 就是要唤醒的等待队列头
这两个函数会将这个等待队列头中的所有进程都唤醒，wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进程，而 wake_up_interruptible 函数只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程。
唤醒后会从休眠点接着运行。
1.5 等待事件
除了主动唤醒以外，也可以设置等待某个事件，当这个时间满足以后就自动唤醒等待队列中的进程，和等待事件有关的API函数如下：
wait_event(wq, condition)
//等待以 wq 为等待队列头的等待队列被唤醒，前提是 condition 条件必须满足(为真)，否则一直阻塞 。 此 函 数 会 将 进 程 设 置 为TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)
//功能和 wait_event 类似，但是此函数可以添加超时时间，以 jiffies 为单位。此函数有返回值，如果返回 0 的话表示超时时间到，而且 condition为假。为 1 的话表示 condition 为真，也就是条件满足了。
wait_event_interruptible(wq, condition)
//与 wait_event 函数类似，但是此函数将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，就是可以被信号打断。
wait_event_interruptible_timeout(wq,condition, timeout)
与 wait_event_timeout 函数类似，此函数也将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE，可以被信号打断。
二、轮询
如果用户应用程序以非阻塞的方式访问设备，设备驱动程序就要提供非阻塞的处理方式，也就是轮询。poll、epoll和select可以用于处理轮询，应用程序通过select、epoll或poll函数来查询设备是否可以操作，如果可以操作的话就从设备读取或者项设备写入数据。当应用成调用select、epoll或者poll函数的时候设备驱动程序中的poll函数就会执行，因此需要再设备驱动程序中编写poll函数。
2.1 select函数
int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout)
nfds：所要监视的这三类文件描述集合中，最大文件描述符加 1。
readfds、writefds和exceptfds：这三个指针指向描述符集合，这三个参数指明了关心哪些描述符、需要满足哪些条件等等，这三个参数都是fd_set类型的，fd_set类型变量的每一个位都代表了一个文件描述符。
readfds：用于监视指定描述符集的读变化，也就是讲师这些文件是否可以读取，只要这些集合里面有一个文件可以读取就会返回一个大于0的值表示文件可以读取，反之就会根据timeout参数来判断是否超时，设置为NULL表示不关心文件的读变化。writefds：监视文件是否可以进行写操作。
exceptfds：监视文件的异常。
关于fd_set变量的几个宏：
void FD_ZERO(fd_set *set)
//用于将 fd_set 变量的所有位都清零
void FD_SET(int fd, fd_set *set)
//用于将 fd_set 变量的某个位置 1，也就是向 fd_set 添加一个文件描述符，参数 fd 就是要加入的文件描述符。
void FD_CLR(int fd, fd_set *set)
//用于将 fd_set变量的某个位清零，也就是将一个文件描述符从 fd_set 中删除，参数 fd 就是要删除的文件描述符。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set)
//用于测试一个文件是否属于某个集合，参数 fd 就是要判断的文件描述符。
timeout：超时时间，当调用select函数等待某个文件描述符可以设置超时时间，结构体timeval定义如下：
struct timeval {
long tv_sec; /* 秒 */
long tv_usec; /* 微妙 */
};
当timeout为NULL的时候就表示无限期等待。关于这个超时时间：设为500ms就相当于，如果等待事件不触发，每500ms返回一个结果，select和poll函数会调用驱动中的poll，在驱动中的poll函数中设置需要等待的事件，当等待的事件到了就会返回相应的返回值
调用select函数的读非阻塞访问操作示例：
void main(void)
{
int ret, fd; /* 要监视的文件描述符 */
fd_set readfds; /* 读操作文件描述符集 */
struct timeval timeout; /* 超时结构体 */
fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
FD_ZERO(&readfds); /* 清除 readfds */
FD_SET(fd, &readfds); /* 将 fd 添加到 readfds 里面 */
/* 构造超时时间 */
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */
ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
switch (ret) {
case 0: /* 超时 */
printf("timeout!\r\n");
break;
case -1: /* 错误 */
printf("error!\r\n");
break;
default: /* 可以读取数据 */
if(FD_ISSET(fd, &readfds)) { /* 判断是否为 fd 文件描述符 */
/* 使用 read 函数读取数据 */
}
}
}
break;
2.2 poll函数
在单个线程中，select函数能够监视的文件描述符数量有最大的限制，一般为1024，可以修改内核将监视的文件描述符数量改大，但是这样会降低效率。
这时可以使用poll函数，它和select函数没有太大的区别，但是没有最大文件描述符的限制，其原型如下：
int poll(struct pollfd *fds,
nfds_t nfds,
int timeout)
fds： 指向元素类型为struct poll_fd类型的首元素，要监视的文件描述符集合以及要监视的事件，为一个数组，数组元素都是结构体pollfd类型的，pollfd结构体如下：
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 如果 fd 无效的话那么 events 监视事件也就无效，并且 revents返回 0。*/
short events; /* 请求的事件 */
short revents; /* 返回的事件 */
};
events是要监视的事件，可以监视的事件类型如下：
| POLLIN | 有数据可以读取。 |
| POLLPRI | 有紧急的数据需要读取。 |
| POLLOUT | 可以写数据。 |
| POLLERR | 指定的文件描述符发生错误。 |
| POLLHUP | 指定的文件描述符挂起。 |
| POLLNVAL | 无效的请求。 |
| POLLRDNORM | 等同于 POLLIN |
| revents：是返回参数，也就是返回的事件，由Linux内核设置具体的返回事件。 |
nfds：poll函数要监视的文件描述符数量。
timeout：超时时间，单位为ms
返回值：返回值revents域中不为0的pollfd结构体个数，也就是发生事件或错误的文件描述符数量：0，超时，-1，发生错误，并设置errno为错误类型。
使用poll函数进行读非阻塞访问的操作示例：
void main(void)
{
int ret;
int fd; /* 要监视的文件描述符 */
struct pollfd fds;
fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
/* 构造结构体 */
fds.fd = fd;
fds.events = POLLIN; /* 监视数据是否可以读取 */
ret = poll(&fds, 1, 500); /* 轮询文件是否可操作，超时 500ms */
if (ret) { /* 数据有效 */
......
/* 读取数据 */
......
} else if (ret == 0) { /* 超时 */
......
} else if (ret < 0) { /* 错误 */
......
}
}
poll函数的优缺点：
1、优点
(1
- （1）poll不要求开发者计算最大文件描述符加一的大小。
- （2）poll相比于select在应付大数目的文件描述符的时候速度更快。
- （3）由于poll基于链表来存储的，所以没有最大连接数的限制。
- （4）在调用函数时，只需要对参数进行一次设置就好了
2、缺点
- （1）大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义（epoll可以解决此问题）
- （2）与select一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符，这样会使性能下降
- （3）同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降
2.3 epoll函数
selcet和poll函数都会随着所监听的fd数量的增加，出现效率低下的问题，而且poll函数每次必须遍历所有描述符来检查就绪的描述符，这个过程很浪费时间。为此，epoll应运而生，epoll就是为处理大并发而准备的，一般常常在网络编程中使用epoll函数。
应用程序首先需要使用epoll_create函数创建一个epoll句柄，epoll_create函数原型：
int epoll_create(int size)
size：Linux2.6.8以后的，写个大于零的数就行了
返回值：epoll句柄，如果-1的话表示创建失败
epoll句柄创建成功以后使用epoll_ctl函数向其中添加要监视的文件描述符以及监视的事件，epoll_ctl函数原型如下：
int epoll_ctl(int epfd,
int op,
int fd,
struct epoll_event *event)
epfd：要操作的epoll句柄，也就是使用epoll_create函数创建的epoll句柄
op：表示要对epfd（epoll句柄）进行的操作，可以设置为：
EPOLL_CTL_ADD 向 epfd 添加文件参数 fd 表示的描述符。
EPOLL_CTL_MOD 修改参数 fd 的 event 事件。
EPOLL_CTL_DEL 从 epfd 中删除 fd 描述符。
fd：要监视的文件描述符
event：要监视的事件类型，为epoll_event结构体类型指针
返回值：0，成功；-1，失败，并且设置 errno 的值为相应的错误码。
struct epoll_event{
uint32_t events;/*epoll事件*/
epoll_data_t data;/*用户数据*/
};
events表示要监视的时间，可选的事件：
EPOLLIN 有数据可以读取。
EPOLLOUT 可以写数据。
EPOLLPRI 有紧急的数据需要读取。
EPOLLERR 指定的文件描述符发生错误。
EPOLLHUP 指定的文件描述符挂起。
EPOLLET 设置 epoll 为边沿触发，默认触发模式为水平触发。
EPOLLONESHOT 一次性的监视，当监视完成以后还需要再次监视某个 fd，那么就需要将fd 重新添加到 epoll 里面。
设置好以后应用程序就可以通过epoll_wait函数来等待事件的发生，类似select函数，其原型如下：
int epoll_wait(int epfd,
struct epoll_event *events,
int maxevents,
int timeout)
epfd：要等待的 epoll。
events：指向 epoll_event 结构体的数组，当有事件发生的时候 Linux 内核会填写 events，调用者可以根据 events 判断发生了哪些事件。
maxevents：events 数组大小，必须大于 0。
timeout：超时时间，单位为 ms。
返回值：0，超时；-1，错误；其他值，准备就绪的文件描述符数量。
epoll更多是用在大规模的并发服务器上，因为在这种场合下select和poll并不合适。涉及到的文件描述符比较少的时候就适合用select和poll。
2.4 Linux驱动下的poll操作函数
当应用程序调用select和poll函数来对驱动程序进行非阻塞访问的时候，驱动程序file_operations操作集中的poll函数就会执行。所以在驱动程序中需要提供对用的poll函数，其原型如下：
unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
filp：要打开的设备文件(文件描述符)。
wait：结构体 poll_table_struct 类型指针，由应用程序传递进来的。一般将此参数传递给poll_wait 函数。
这两个输入参数无需关心，系统自己能搞定!
返回值：向应用程序返回设备或者资源状态
可以返回的资源状态如下：
POLLIN 有数据可以读取。
POLLPRI 有紧急的数据需要读取。
POLLOUT 可以写数据。
POLLERR 指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP 指定的文件描述符挂起。
POLLNVAL 无效的请求。
POLLRDNORM 等同于 POLLIN，普通数据可读
在驱动程序中需要调用poll_wait函数，该函数不会引起阻塞，只是将应用程序添加到poll_table中，poll_wait函数原型如下：
void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
wait_address：要添加到 poll_table 中的等待队列头
p ：poll_table ，就是驱动程序操作集file_operations 中 poll 函数的 wait 参数。
select和poll函数会调用驱动中的poll，在驱动中的poll函数中设置需要等待的事件，示例如下：
unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
unsigned int mask = 0;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); /* 将等待队列头添加到poll_table中 */
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 按键按下 */
mask = POLLIN | POLLRDNORM; /* 返回PLLIN */
}
return mask;
}
这个是按键的非阻塞读取示例中的驱动下的poll函数，在imx6uirq_poll中设置了等待事件，即有可读取的数据存在，POLLRDNORM是 poll() 函数中的一个事件掩码，表示普通的可读数据可用于读取操作。当 poll() 检测到文件描述符上有普通的可读数据时，该事件掩码会被设置并返回给调用者。
2.5 完整调用过程
- （1）将应用层fds,nfds传入内核
- （2）调用内核驱动对应的函数driver_poll（如io_poll），在这里会设置需要等待的时间
- （3）判断 fd.events ==fd.revents 是否相等(LDD3书上称为判断是否有可用的文件描述符)，相等则退出，否则进入步骤4
- （4）判断是否超时，若无则进入sleep，等待唤醒
- （5）唤醒后将fds,nfds返回应用层
步骤3.4.5为 poll的精髓所在，明白了其中过程后，理解poll函数的驱动代码就相当简单了。
unsigned int io_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
unsigned int mask = 0;
printk(KERN_INFO "IO poll entry\n");
poll_wait(filp, &dev->inq, wait);
printk(KERN_INFO "IO poll exit\n");
mask |= POLLIN ; /* readable */
return mask;
}
注意：
- poll_wait只是将filp dev->inq 加入到wait等待队列并未进行任何睡眠操作。真正的睡眠操作其实在步骤4
- poll_table_struct *wait 为系统自动提供，无需注意。