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

//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);