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linux设备驱动阻塞机制 等待队列

2024-10-30 15:26:02   211人阅读

阻塞与非阻塞是设备访问的两种方式。在写阻塞与非阻塞的驱动程序时，经常用到等待队列。

一、阻塞与非阻塞

　　阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，函数只有在得到结果之后才会返回。
　　非阻塞指不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前进程，而会立刻返回。
　　对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用的函数也可以进入阻塞调用。函数select()就是这样一个例子。
二、等待队列
　　在linux设备驱动程序中，阻塞进程可以使用等待队列来实现。
　　在内核中，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理，进程同步，定时等场合，可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中的异步事件通知机制，同步对系统资源的访问。
1、等待队列的实现：
　　在linux中，等待队列的结构如下：
struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock; //自旋锁，用来对task_list链表起保护作用，实现了对等待队列的互斥访问
struct list_head task_list; //用来存放等待的进程
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
2、等待队列的使用
（1）定义和初始化等待队列
wait_queue_head_t wait；//定义等待队列
init_waitqueue_head(&wait);//初始化等待队列
定义并初始化等待队列：
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

 （2）添加或移除等待队列：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)；//将等待队列元素wait添加到等待队列头q所指向的等待队列链表中。
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

 （3）等待事件：

wait_event(wq, condition)；//在等待队列中睡眠直到condition为真。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)；
wait_event_interruptible(wq, condition) ；
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) ；
/* 
*　　queue:作为等待队列头的等待队列被唤醒
*    conditon：必须满足，否则阻塞
*    timeout和conditon相比，有更高优先级
*/

 （4）睡眠：

sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);
/*
sleep_on作用是把目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE,直到资源可用，q引导的等待队列被唤醒。
interruptible_sleep_on作用是一样的， 只不过它把进程状态置为TASK_INTERRUPTIBLE
*/

 （5）唤醒等待队列：

//可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程；
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
//只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程
#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
三、操作系统中睡眠、阻塞、挂起的区别形象解释
　　首先这些术语都是对于线程来说的。对线程的控制就好比你控制了一个雇工为你干活。你对雇工的控制是通过编程来实现的。
　　挂起线程的意思就是你对主动对雇工说：“你睡觉去吧，用着你的时候我主动去叫你，然后接着干活”。
　　使线程睡眠的意思就是你主动对雇工说：“你睡觉去吧，某时某刻过来报到，然后接着干活”。
　　线程阻塞的意思就是，你突然发现，你的雇工不知道在什么时候没经过你允许，自己睡觉呢，但是你不能怪雇工，肯定你这个雇主没注意，本来你让雇工扫地，结果扫帚被偷了或被邻居家借去了，你又没让雇工继续干别的活，他就只好睡觉了。至于扫帚回来后，雇工会不会知道，会不会继续干活，你不用担心，雇工一旦发现扫帚回来了，他就会自己去干活的。因为雇工受过良好的培训。这个培训机构就是操作系统。 
四、阻塞与非阻塞操作
　　阻塞操作是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程，直到满足可操作的条件后在进行操作。
　　非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者被放弃，或者不停的查询，直到可以进行操作为止。
　　回顾简单字符设备驱动, 我们看到如何实现 read 和 write 方法. 在此, 但是, 我们跳过了一个重要的问题:一个驱动当它无法立刻满足请求应当如何响应? 一个对 read 的调用可能当没有数据时到来, 而以后会期待更多的数据. 或者一个进程可能试图写, 但是你的设备没有准备好接受数据, 因为你的输出缓冲满了. 调用进程往往不关心这种问题; 程序员只希望调用 read 或 write 并且使调用返回, 在必要的工作已完成后. 这样, 在这样的情形中, 你的驱动应当(缺省地)阻塞进程, 使它进入睡眠直到请求可继续。　　
　　在我们看全功能的 read 和 write 方法的实现之前, 我们触及的最后一点是决定何时使进程睡眠. 
　　（1）阻塞型驱动中，read实现方式：如果一个进程调用 read 但是没有数据可用, 这个进程必须阻塞. 这个进程在有数据达到时被立刻唤醒, 并且那个数据被返回给调用者, 即便小于在给方法的 count 参数中请求的数量.
　　（2）阻塞型驱动中，write实现方式：如果一个进程调用 write 并且在缓冲中没有空间, 这个进程必须阻塞, 并且它必须在一个与用作 read 的不同的等待队列中. 当一些数据被写入硬件设备, 并且在输出缓冲中的空间变空闲, 这个进程被唤醒并且写调用成功, 尽管数据可能只被部分写入如果在缓冲只没有空间给被请求的 count 字节.
　　（3）有时要求一个操作不阻塞, 即便它不能完全地进行下去.应用程序元可以调用 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 标志来人为的设置读写操作为非阻塞方式. 这个标志定义于 <linux/fcntl.h>, 被 <linux/fs.h>自动包含
五、阻塞型驱动测试程序：
1.memdev.h
  1. #ifndef _MEMDEV_H_  
  2. #define _MEMDEV_H_  
  3.   
  4. #ifndef MEMDEV_MAJOR  
  5. #define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/  
  6. #endif  
  7.   
  8. #ifndef MEMDEV_NR_DEVS  
  9. #define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/  
  10. #endif  
  11.   
  12. #ifndef MEMDEV_SIZE  
  13. #define MEMDEV_SIZE 4096  
  14. #endif  
  15.   
  16. /*mem设备描述结构体*/  
  17. struct mem_dev                                       
  18. {                                                          
  19.   char *data;                        
  20.   unsigned long size;   
  21.   wait_queue_head_t inq;        
  22. };  
  23.   
  24. #endif /* _MEMDEV_H_ */ 

 2.memdev.c

  1. #include <linux/module.h>  
  2. #include <linux/types.h>  
  3. #include <linux/fs.h>  
  4. #include <linux/errno.h>  
  5. #include <linux/mm.h>  
  6. #include <linux/sched.h>  
  7. #include <linux/init.h>  
  8. #include <linux/cdev.h>  
  9. #include <asm/io.h>  
  10. #include <asm/system.h>  
  11. #include <asm/uaccess.h>  
  12.   
  13. #include "memdev.h"  
  14.   
  15.   
  16. static mem_major = MEMDEV_MAJOR;  
  17. bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/  
  18.   
  19. module_param(mem_major, int, S_IRUGO);  
  20.   
  21. struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/  
  22.   
  23. struct cdev cdev;   
  24.   
  25. /*文件打开函数*/  
  26. int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)  
  27. {  
  28.     struct mem_dev *dev;  
  29.       
  30.     /*获取次设备号*/  
  31.     int num = MINOR(inode->i_rdev);  
  32.   
  33.     if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)   
  34.             return -ENODEV;  
  35.     dev = &mem_devp[num];  
  36.       
  37.     /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/  
  38.     filp->private_data = dev;  
  39.       
  40.     return 0;   
  41. }  
  42.   
  43. /*文件释放函数*/  
  44. int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)  
  45. {  
  46.   return 0;  
  47. }  
  48.   
  49. /*读函数*/  
  50. static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)  
  51. {  
  52.   unsigned long p =  *ppos;  
  53.   unsigned int count = size;  
  54.   int ret = 0;  
  55.   struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/  
  56.   
  57.   /*判断读位置是否有效*/  
  58.   if (p >= MEMDEV_SIZE)  
  59.     return 0;  
  60.   if (count > MEMDEV_SIZE - p)  
  61.     count = MEMDEV_SIZE - p;  
  62.       
  63. while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while,中断信号唤醒 */  
  64. {  
  65.         if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)  
  66.             return -EAGAIN;  
  67.       
  68.     wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);  
  69. }  
  70.   
  71.   
  72.   /*读数据到用户空间*/  
  73.   if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))  
  74.   {  
  75.     ret =  - EFAULT;  
  76.   }  
  77.   else  
  78.   {  
  79.     *ppos += count;  
  80.     ret = count;  
  81.      
  82.     printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);  
  83.   }  
  84.     
  85.   have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */  
  86.   return ret;  
  87. }  
  88.   
  89. /*写函数*/  
  90. static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)  
  91. {  
  92.   unsigned long p =  *ppos;  
  93.   unsigned int count = size;  
  94.   int ret = 0;  
  95.   struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/  
  96.     
  97.   /*分析和获取有效的写长度*/  
  98.   if (p >= MEMDEV_SIZE)  
  99.     return 0;  
  100.   if (count > MEMDEV_SIZE - p)  
  101.     count = MEMDEV_SIZE - p;  
  102.       
  103.   /*从用户空间写入数据*/  
  104.   if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))  
  105.     ret =  - EFAULT;  
  106.   else  
  107.   {  
  108.     *ppos += count;  
  109.     ret = count;  
  110.       
  111.     printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);  
  112.   }  
  113.     
  114.   have_data = true; /* 有新的数据可读 */  
  115.       
  116.     /* 唤醒读进程 */  
  117.     wake_up(&(dev->inq));  
  118.   
  119.   return ret;  
  120. }  
  121.   
  122. /* seek文件定位函数 */  
  123. static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)  
  124. {   
  125.     loff_t newpos;  
  126.   
  127.     switch(whence) {  
  128.       case 0: /* SEEK_SET */  
  129.         newpos = offset;  
  130.         break;  
  131.   
  132.       case 1: /* SEEK_CUR */  
  133.         newpos = filp->f_pos + offset;  
  134.         break;  
  135.   
  136.       case 2: /* SEEK_END */  
  137.         newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;  
  138.         break;  
  139.   
  140.       default: /* can‘t happen */  
  141.         return -EINVAL;  
  142.     }  
  143.     if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))  
  144.         return -EINVAL;  
  145.           
  146.     filp->f_pos = newpos;  
  147.     return newpos;  
  148.   
  149. }  
  150.   
  151. /*文件操作结构体*/  
  152. static const struct file_operations mem_fops =  
  153. {  
  154.   .owner = THIS_MODULE,  
  155.   .llseek = mem_llseek,  
  156.   .read = mem_read,  
  157.   .write = mem_write,  
  158.   .open = mem_open,  
  159.   .release = mem_release,  
  160. };  
  161.   
  162. /*设备驱动模块加载函数*/  
  163. static int memdev_init(void)  
  164. {  
  165.   int result;  
  166.   int i;  
  167.   
  168.   dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);  
  169.   
  170.   /* 静态申请设备号*/  
  171.   if (mem_major)  
  172.     result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");  
  173.   else  /* 动态分配设备号 */  
  174.   {  
  175.     result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");  
  176.     mem_major = MAJOR(devno);  
  177.   }    
  178.     
  179.   if (result < 0)  
  180.     return result;  
  181.   
  182.   /*初始化cdev结构*/  
  183.   cdev_init(&cdev, &mem_fops);  
  184.   cdev.owner = THIS_MODULE;  
  185.   cdev.ops = &mem_fops;  
  186.     
  187.   /* 注册字符设备 */  
  188.   cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);  
  189.      
  190.   /* 为设备描述结构分配内存*/  
  191.   mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);  
  192.   if (!mem_devp)    /*申请失败*/  
  193.   {  
  194.     result =  - ENOMEM;  
  195.     goto fail_malloc;  
  196.   }  
  197.   memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));  
  198.     
  199.   /*为设备分配内存*/  
  200.   for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)   
  201.   {  
  202.         mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;  
  203.         mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);  
  204.         memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);  
  205.     
  206.       /*初始化等待队列*/  
  207.      init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));  
  208.   }  
  209.      
  210.   return 0;  
  211.   
  212.   fail_malloc:   
  213.   unregister_chrdev_region(devno, 1);  
  214.     
  215.   return result;  
  216. }  
  217.   
  218. /*模块卸载函数*/  
  219. static void memdev_exit(void)  
  220. {  
  221.   cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/  
  222.   kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/  
  223.   unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/  
  224. }  
  225.   
  226. MODULE_AUTHOR("David Xie");  
  227. MODULE_LICENSE("GPL");  
  228.   
  229. module_init(memdev_init);  
  230. module_exit(memdev_exit);

 3.app-write.c

  1. #include <stdio.h>  
  2.   
  3. int main()  
  4. {  
  5.     FILE *fp = NULL;  
  6.     char Buf[128];  
  7.       
  8.       
  9.     /*打开设备文件*/  
  10.     fp = fopen("/dev/memdev0","r+");  
  11.     if (fp == NULL)  
  12.     {  
  13.         printf("Open Dev memdev0 Error!\n");  
  14.         return -1;  
  15.     }  
  16.       
  17.     /*写入设备*/  
  18.     strcpy(Buf,"memdev is char dev!");  
  19.     printf("Write BUF: %s\n",Buf);  
  20.     fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);  
  21.       
  22.     sleep(5);  
  23.     fclose(fp);  
  24.       
  25.     return 0;      
  26.   
  27. } 

 4.app-read.c

  1. #include <stdio.h>  
  2.   
  3. int main()  
  4. {  
  5.     FILE *fp = NULL;  
  6.     char Buf[128];  
  7.       
  8.     /*初始化Buf*/  
  9.     strcpy(Buf,"memdev is char dev!");  
  10.     printf("BUF: %s\n",Buf);  
  11.       
  12.     /*打开设备文件*/  
  13.     fp = fopen("/dev/memdev0","r+");  
  14.     if (fp == NULL)  
  15.     {  
  16.         printf("Open memdev0 Error!\n");  
  17.         return -1;  
  18.     }  
  19.       
  20.     /*清除Buf*/  
  21.     strcpy(Buf,"Buf is NULL!");  
  22.     printf("Read BUF1: %s\n",Buf);  
  23.       
  24.     /*读出数据*/  
  25.     fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);  
  26.       
  27.     /*检测结果*/  
  28.     printf("Read BUF2: %s\n",Buf);  
  29.       
  30.     fclose(fp);  
  31.       
  32.     return 0;      
  33.   
  34. } 

 

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