详细解读Linux内核的poll机制

所有的系统调用，基于都可以在它的名字前加上“sys_”前缀，这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用open、read、write、poll，与之对应的内核函数为：sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。

一、内核框架：

    对于系统调用poll或select，它们对应的内核函数都是sys_poll。分析sys_poll，即可理解poll机制。

1. sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：
asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
   long timeout_msecs)
{
 s64 timeout_jiffies;

if (timeout_msecs > 0) {
#if HZ > 1000
  /* We can only overflow if HZ > 1000 */
  if (timeout_msecs / 1000 > (s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)
   timeout_jiffies = -1;
  else
#endif
   timeout_jiffies = msecs_to_jiffies(timeout_msecs);
 } else {
  /* Infinite (< 0) or no (0) timeout */
  timeout_jiffies = timeout_msecs;
 }

return do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);
}
它对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。

2. do_sys_poll函数也位于位于fs/select.c文件中，我们忽略其他代码：
int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)
{
……
poll_initwait(&table);
……
 fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);
……
}

poll_initwait函数非常简单，它初始化一个poll_wqueues变量table：
poll_initwait > init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); > pt->qproc = qproc;
即table->pt->qproc = __pollwait，__pollwait将在驱动的poll函数里用到。

3. do_sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,
     struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)
{
01 ……
02  for (;;) {
03 ……
04     if (do_pollfd(pfd, pt)) {
05     count++;
06     pt = NULL;
07    }
08 ……
09  if (count || !*timeout || signal_pending(current))
10   break;
11  count = wait->error;
12  if (count)
13   break;
14
15  if (*timeout < 0) {
16   /* Wait indefinitely */
17   __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
18  } else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {
19   /*
20    * Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in
21    * a loop
22    */
23   __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;
24   *timeout -= __timeout;
25  } else {
26   __timeout = *timeout;
27   *timeout = 0;
28  }
29
30  __timeout = schedule_timeout(__timeout);
31  if (*timeout >= 0)
32   *timeout += __timeout;
33 }
34 __set_current_state(TASK_RUNNING);
35 return count;
36 }

分析其中的代码，可以发现，它的作用如下：
① 从02行可以知道，这是个循环，它退出的条件为：
a. 09行的3个条件之一(count非0，超时、有信号等待处理)
count顺0表示04行的do_pollfd至少有一个成功。
b. 11、12行：发生错误
② 重点在do_pollfd函数，后面再分析
③ 第30行，让本进程休眠一段时间，注意：应用程序执行poll调用后，如果①②的条件不满足，进程就会进入休眠。那么，谁唤醒呢？除了休眠到指定时间被系统唤醒外，还可以被驱动程序唤醒──记住这点，这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因，后面分析。

4. do_pollfd函数位于fs/select.c文件中，代码如下：
static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
……
   if (file->f_op && file->f_op->poll)
    mask = file->f_op->poll(file, pwait);
……
}

可见，它就是调用我们的驱动程序里注册的poll函数。

二、驱动程序：

驱动程序里与poll相关的地方有两处：一是构造file_operation结构时，要定义自己的poll函数。二是通过poll_wait来调用上面说到的__pollwait函数，pollwait的代码如下：
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
 if (p && wait_address)
  p->qproc(filp, wait_address, p);
}
p->qproc就是__pollwait函数，从它的代码可知，它只是把当前进程挂入我们驱动程序里定义的一个队列里而已。它的代码如下：
static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
    poll_table *p)
{
 struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);
 if (!entry)
  return;
 get_file(filp);
 entry->filp = filp;
 entry->wait_address = wait_address;
 init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);
 add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}

执行到驱动程序的poll_wait函数时，进程并没有休眠，我们的驱动程序里实现的poll函数是不会引起休眠的。让进程进入休眠，是前面分析的do_sys_poll函数的30行“__timeout = schedule_timeout(__timeout)”。
poll_wait只是把本进程挂入某个队列，应用程序调用poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait，do_poll > do_pollfd > 我们自己写的poll函数后，再调用schedule_timeout进入休眠。如果我们的驱动程序发现情况就绪，可以把这个队列上挂着的进程唤醒。可见，poll_wait的作用，只是为了让驱动程序能找到要唤醒的进程。即使不用poll_wait，我们的程序也有机会被唤醒：chedule_timeout(__timeout)，只是休眠__time_out这段时间。

现在来总结一下poll机制：
1. poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait，poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait，它就是我们的驱动程序执行poll_wait时，真正被调用的函数。

2. 接下来执行file->f_op->poll，即我们驱动程序里自己实现的poll函数
   它会调用poll_wait把自己挂入某个队列，这个队列也是我们的驱动自己定义的；
   它还判断一下设备是否就绪。

3. 如果设备未就绪，do_sys_poll里会让进程休眠一定时间

4. 进程被唤醒的条件有2：一是上面说的“一定时间”到了，二是被驱动程序唤醒。驱动程序发现条件就绪时，就把“某个队列”上挂着的进程唤醒，这个队列，就是前面通过poll_wait把本进程挂过去的队列。

5. 如果驱动程序没有去唤醒进程，那么chedule_timeout(__timeou)超时后，会重复2、3动作，直到应用程序的poll调用传入的时间到达。