在linux驱动程序编写过程中，设备阻塞/非阻塞读写是一种非常重要的技术。它可以实现高效的数据传输和事件处理，提高系统的性能和响应速度。在本文中，我们将深入探讨linux驱动技术(五) _设备阻塞/非阻塞读写的实现原理和相关技术。
等待队列是内核中实现进程调度的一个十分重要的数据结构，其任务是维护一个链表，链表中每一个节点都是一个PCB(进程控制块)，内核会将PCB挂在等待队列中的所有进程都调度为睡眠状态，直到某个唤醒的条件发生。应用层的阻塞IO与非阻塞IO的使用我已经在Linux I/O多路复用一文中讨论过了，本文主要讨论驱动中怎么实现对设备IO的阻塞与非阻塞读写。显然，实现这种与阻塞相关的机制要用到等待队列机制。本文的内核源码使用的是3.14.0版本
设备阻塞IO的实现
当我们读写设备文件的IO时，最终会回调驱动中相应的接口，而这些接口也会出现在读写设备进程的进程(内核)空间中，如果条件不满足，接口函数使进程进入睡眠状态，即使读写设备的用户进程进入了睡眠，也就是我们常说的发生了阻塞。In a word，读写设备文件阻塞的本质是驱动在驱动中实现对设备文件的阻塞，其读写的流程可概括如下:
1. 定义-初始化等待队列头
//定义等待队列头 wait_queue_head_t waitq_h; //初始化，等待队列头 init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或 //定义并初始化等待队列头 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(waitq_name);
上面的几条选择中，最后一种会直接定义并初始化一个等待头,但是如果在模块内使用全局变量传参，用着并不方便，具体用哪种看需求。
我们可以追一下源码，看一下上面这几行都干了什么：
//include/linux/wait.h
35 struct __wait_queue_head {
36 spinlock_t lock;
37 struct list_head task_list;
38 };
39 typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
“
wait_queue_head_t
–36–>这个队列用的自旋锁
–27–>将整个队列”串”在一起的纽带”
然后我们看一下初始化的宏:
55 #define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) { \
56 .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock), \
57 .task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } }
58
59 #define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
60 wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
“
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()
–60–>根据传入的字符串name，创建一个名为name的等待队列头
–57–>初始化上述task_list域，竟然没有用内核标准的初始化宏，无语。。。”
2. 将本进程添加到等待队列
为等待队列添加事件,即进程进入睡眠状态直到condition为真才返回。**_interruptible的版本版本表示睡眠可中断,_timeout**版本表示超时版本，超时就会返回，这种命名规范在内核API中随处可见。
void wait_event(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); void wait_event_interruptible(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); void wait_event_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); void wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition);
这可是等待队列的核心，我们来看一下
“
wait_event
└── wait_event
└── _wait_event
├── abort_exclusive_wait
├── finish_wait
├── prepare_to_wait_event
└── ___wait_is_interruptible”
244 #define wait_event(wq, condition) \
245 do { \
246 if (condition) \
247 break; \
248 __wait_event(wq, condition); \
249 } while (0)
“
wait_event
–246–>如果condition为真，立即返回
–248–>否则调用__wait_event”
194 #define ___wait_event(wq, condition, state, exclusive, ret, cmd) \
195 ({ \
206 for (;;) { \
207 long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\
208 \
209 if (condition) \
210 break; \
212 if (___wait_is_interruptible(state) && __int) { \
213 __ret = __int; \
214 if (exclusive) { \
215 abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, \
216 state, NULL); \
217 goto __out; \
218 } \
219 break; \
220 } \
222 cmd; \
223 } \
224 finish_wait(&wq, &__wait); \
225 __out: __ret; \
226 })
“
___wait_event
–206–>死循环的轮询
–209–>如果条件为真，跳出循环，执行finish_wait();进程被唤醒
–212–>如果进程睡眠的方式是interruptible的，那么当中断来的时候也会abort_exclusive_wait被唤醒
–222–>如果上面两条都不满足，就会回调传入的schedule()，即继续睡眠”
模板
struct wait_queue_head_t xj_waitq_h;
static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
if(!condition) //条件可以在中断处理函数中置位
wait_event_interruptible(&xj_waitq_h,condition);
}
static file_operations fops = {
.read = demo_read,
};
static __init demo_init(void)
{
init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
}
IO多路复用的实现
对于普通的非阻塞IO，我们只需要在驱动中注册的read/write接口时不使用阻塞机制即可，这里我要讨论的是IO多路复用，即当驱动中的read/write并没有实现阻塞机制的时候，我们如何利用内核机制来在驱动中实现对IO多路复用的支持。下面这个就是我们要用的API
int poll(struct file *filep, poll_table *wait); void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
当应用层调用select/poll/epoll机制的时候，内核其实会遍历回调相关文件的驱动中的poll接口，通过每一个驱动的poll接口的返回值，来判断该文件IO是否有相应的事件发生，我们知道，这三种IO多路复用的机制的核心区别在于内核中管理监视文件的方式，分别是位，数组，链表，但对于每一个驱动，回调的接口都是poll。
模板
struct wait_queue_head_t waitq_h;
static unsigned int demo_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *pts)
{
unsigned int mask = 0;
poll_wait(filp, &wwaitq_h, pts);
if(counter){
mask = (POLLIN | POLLRDNORM);
}
return mask;
}
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.poll = demo_poll,
};
static __init demo_init(void)
{
init_waitqueue_head(&xj_waitq_h);
}
其他API
刚才我们讨论了如何使用等待队列实现阻塞IO，非阻塞IO，其实关于等待队列，内核还提供了很多其他API用以完成相关的操作，这里我们来认识一下
//在等待队列上睡眠 sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h); sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h); //唤醒等待的进程 void wake_up(wait_queue_t *wqueue); void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);
总之，设备阻塞/非阻塞读写是Linux驱动程序编写过程中不可或缺的一部分。它可以实现高效的数据传输和事件处理，提高系统的性能和响应速度。希望本文能够帮助读者更好地理解Linux驱动技术(五) _设备阻塞/非阻塞读写的实现原理和相关技术。
