需要了解linux设备驱动中的阻塞与非阻塞等问题

首先说说什么是阻塞和非阻塞的概念：阻塞操作就是指进程在操作设备时，由于不能获取资源或者暂时不能操作设备时，系统就会把进程挂起，被挂起的进程会进入休眠状态并且会从调度器的运行队列移走，放到等待队列中，然后一直休眠，直到该进程满足可操作的条件，再被唤醒，继续执行之前的操作。非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，并不会挂起，要么放弃，要么不停地执行，直到可以进行操作为止。

我们都知道，在应用中，打开一个设备文件时，指定了是以阻塞还是非阻塞打开（缺省是阻塞方式），然后后面的读写一切都是交由驱动来实现，那么驱动是如何实现read()和write()的阻塞呢！下面以读写一个内存块为例子，当该内存写满了，不能写的时候，调用write（）函数该怎么处理，当该内存已经读取完了，空了的时候，调用read（）函数，又改如何处理（该代码简化了，只为说明问题，不能正常编译使用）：

wait_queue_head_t read_queue;      //定义读等待队列头部
  wait_queue_head_t write_queue;     //定义写等待队列头部
  struct semaphore sem;                     //定义信号量，用于互斥访问公共资源

static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

if(down_interruptible(&sem))
  return -ERESTARTSYS;      //使用 down_interruptible，给公共资源上锁，以防出现并发引起的竞态问题

while (!have_data)     //have_data用来判断缓冲区中是否有数据，如果有数据，直接跳过该while语句，执行下面的                                                             // copy_to_user
  {
up(&sem);     //由于没有数据，不能进行读取数据操作，要释放锁，解锁，这里的解锁很重要，要是没有解锁，很容                                                //易进入死锁，具体怎样，下面再分析                                               

if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)   //判断该文件时以阻塞方式还是非阻塞方式打开

return -EAGAIN;                    //由于是非阻塞打开，直接返回

wait_event_interruptible(read_queue,have_date);//阻塞方式代开，该语句会让进程进入休眠状态，然后等待其他进程                                                                                                      //的唤醒并且have_data=true时，才会被完全唤醒，执行下面的语句

if（down_interruptible(&sem)）           //由于可以进行读取了，所以在此给公共资源上锁

return -ERESTARTSYS;

if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))  {      //实现数据从内核空间读取到用户空间，完成读取操作

..................

}

have_data = false;   //标记该数据已经读取完毕

up(&sem);     //释放锁

wake_up(&write_queue); //读取完毕，缓冲区有空间可以写入了，就唤醒写进程，让写进程把数据写入

return ;

}

下面分析write函数,其原理和实现也是和read函数一样，都是先给公共资源上锁，再判断是阻塞访问还是非阻塞访问，如果是非阻塞访问，且资源不能获取时，直接返回，若果时阻塞且不能获取资源时，就进入休眠，等待其他进程的唤醒。

static ssize_t mem_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

if(down_interruptible(&sem))
  return -ERESTARTSYS;      //使用 down_interruptible，给公共资源上锁，以防出现并发引起的竞态问题

while (have_data)     //have_data用来判断缓冲区中是否有数据，如果有数据，表示缓冲区已经满了，不能写入，

//如果have_data是false,即没有数据，缓冲区是空的，可以写入数据，就执行下面的copy_from_user
  {
up(&sem);      //由于有数据，不能进行写入数据操作，要释放锁，解锁                                    if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)    //判断该文件时以阻塞方式还是非阻塞方式打开

return -EAGAIN;                     //由于是非阻塞打开，直接返回

wait_event_interruptible(write_queue,!have_date);//阻塞方式代开，该语句会让进程进入休眠状态，然后等待其他进程                                                                                                      //的唤醒并且have_data=false时，才会被完全唤醒，执行下面的语句

if（down_interruptible(&sem)）            //由于可以进行写入操作了，所以在此给公共资源上锁

return -ERESTARTSYS;

if (copy_from_user((dev->data + p), buf,count))  {      //实现数据从内核空间读取到用户空间，完成读取操作

..................

}

have_data = true;   //标记该数据已经读取完毕

up(&sem);      //释放锁

wake_up(&read_queue); //写入数据完毕，缓冲区有数据可以读取了，就唤醒读进程，让读进程开始读取数据

return ;

}

以上是驱动中的读取和写入操作，当写进程发现数据已满，不能写入时，且上层应用是以阻塞的方式打开设备文件时，所以必须要写入数据才能返回，否则不能返回，那么就有两种实现机制，要不就是不停地忙等待，等待设备可以写入时，便写入，然后返回，可是这样做的话，非常影响CPU的执行效率，大大降低了CPU的性能，所以linux内核中采取了等待队列的实现方式，就是当一个阻塞进程写入数据时，发现不能写入时，会把这个进程挂起，放到等待队列中休眠，然后一直在休眠，直到有个读进程，把缓冲区的数据读取完毕后，然后读进程会把写进程唤醒，告诉写进程缓冲区可以写入数据了，于是写进程继续写入操作，并且返回。举个例子，小明饿了，要吃饭，于是跑去妈妈那里，说要吃饭，妈妈说放没有做好，你说小明是继续在这里一直等着妈妈把饭做好，还是先去睡一觉好呢，如果我是小明，我就先去睡一觉，然后妈妈把饭做好了，就把小明叫醒，小明，可以吃饭了，于是小明起来，跑去吃饭。当读进程阻塞时，也是这样，就不分析了。

现在说说为什么每次进去阻塞前都要把锁释放掉，然后唤醒时再次上锁，我们试想一下，假如读进程发现缓冲区为空，不能读取时，准备进入休眠了，没有把锁释放，效果会怎样，就相当于读进程带着锁睡着了，一旦读进程带着锁睡着了，写进程来了，可是写进程因为不能获取锁，就不能访问临界区的资源，更不能往缓冲区里面写入数据，所以缓冲区会一直为空，且写进程也会不停地在那里休眠，等到读进程释放锁，可是读进程睡着了，不能释放锁，写进程也休眠了，不能唤醒读进程，于是就发生了死锁了。这就好比小明他爸爸藏了一个还魂丹在保险箱里，有一天，他爸爸晕倒了，可是没有告诉小明锁放在那里，于是小明只能在保险箱外面，看着他爸爸晕过去，却无能为力了.....