Linux驱动技术(五) _设备阻塞/非阻塞读写

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

1. //定义等待队列头 
2.  
3. wait_queue_head_t waitq_h;//初始化，等待队列头 
4.  
5. init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q); //或//定义并初始化等待队列头 
6.  
7. 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：

1. //include/linux/wait.h  
2.   struct __wait_queue_head {  
3.           spinlock_t              lock;  
4.           struct list_head        task_list;  
5.   }; 
6.   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:

1. #define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name) {                     
2.        .lock        = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),       
3.         .task_list   = { &(name).task_list, &(name).task_list } } 
4.  
5. define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \ 
6.     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。

1. void wait_event(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); 
2. void wait_event_interruptible(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); 
3. void wait_event_timeout(wait_queue_head_t *waitq_h,int condition); 
4. 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

1.  #define wait_event(wq, condition)                                
2.  do {                                                             
3.          if (condition)                                           
4.                 break;                                           
5.          __wait_event(wq, condition);                              
6.  } while (0) 

wait_event

--246-->如果condition为真，立即返回

--248-->否则调用__wait_event

1. #define ___wait_event(wq,condition,state, exclusive, ret, cmd) \  
2.  ({                                                            \ 
3.     for (;;) {                                                 \ 
4.        long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\ 
5.                                                                \  
6.        if (condition)                                          \        
7.      break;                                              \ 
8.        if (___wait_is_interruptible(state) && __int) {         \ 
9.            __ret = __int;                                      \ 
10.        if (exclusive) {                                        \ 
11.            abort_exclusive_wait(&wq, &__wait,                  \ 
12.            state, NULL);                                       \ 
13.            goto __out;                                         \ 
14.        }                                                       \ 
15.        break;                                                  \ 
16.     }                                                          \ 
17.     cmd;                                                       \ 
18.   }                                                            \ 
19.   finish_wait(&wq, &__wait);                                   \ 
20.   __out:  __ret;                                               \ 
21.  }) 

--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

1. struct wait_queue_head_t xj_waitq_h; 
2. static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset) 
3. {    if(!condition)    //条件可以在中断处理函数中置位 
4.         wait_event_interruptible(&xj_waitq_h,condition); 
5. } 
6. static file_operations fops = { 
7.     .read = demo_read, 
8. }; 
9. static __init demo_init(void){ 
10.     init_waitqueue_head(&xj_waitq_h); 
11. } 

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

1. 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

1. struct wait_queue_head_t waitq_h;static unsigned int demo_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *pts){    unsigned int mask = 0; 
2.     poll_wait(filp, &wwaitq_h, pts);    if(counter){ 
3.         mask = (POLLIN | POLLRDNORM); 
4.     }    return mask; 
5. }static struct file_operations fops = { 
6.     .owner  = THIS_MODULE, 
7.     .poll   = demo_poll, 
8. };static __init demo_init(void){ 
9.     init_waitqueue_head(&xj_waitq_h); 
10. } 

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 

1. //在等待队列上睡眠
2. sleep_on(wait_queue_head_t *wqueue_h); 
3. sleep_on_interruptible(wait_queue_head_t *wqueue_h);//唤醒等待的进程 
4.  
5. void wake_up(wait_queue_t *wqueue); 
6. void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);