一、阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞是裝置訪問的兩種方式。在寫阻塞與非阻塞的驅動程式時，經常用到等待佇列。

阻塞呼叫是指呼叫結果返回之前，當前執行緒會被掛起，函式只有在得到結果之後才會返回。

非阻塞指不能立刻得到結果之前，該函式不會阻塞當前程序，而會立刻返回。

函式是否處於阻塞模式和驅動對應函式中的實現機制是直接相關的，但並不是一一對應的，例如我們在應用層設定為阻塞模式，如果驅動中沒有實現阻塞，函式仍然沒有阻塞功能。

二、等待佇列

在linux裝置驅動程式中，阻塞程序可以使用等待佇列來實現。

在核心中，等待佇列是有很多用處的，尤其是在中斷處理，程序同步，定時等場合，可以使用等待佇列實現阻塞程序的喚醒。它以佇列為基礎資料結構，與程序排程機制緊密結合，能夠用於實現核心中的非同步事件通知機制，同步對系統資源的訪問。

等待佇列的使用

（1）定義和初始化等待佇列：

wait_queue_head_t wait；//定義等待佇列
init_waitqueue_head(&wait);//初始化等待佇列

定義並初始化等待佇列：

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

（2）新增或移除等待佇列：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)；//將等待佇列元素wait新增到等待佇列頭q所指向的等待佇列連結串列中。
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
 

（3）等待事件：

wait_event(wq, condition)；//在等待佇列中睡眠直到condition為真。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)；
wait_event_interruptible(wq, condition) ；
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) ；
/*
*queue:作為等待佇列頭的等待佇列被喚醒
*    conditon：必須滿足，否則阻塞
*    timeout和conditon相比，有更高優先順序
*/

（4）睡眠：

sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);
/*
sleep_on作用是把目前程序的狀態置成TASK_UNINTERRUPTIBLE,直到資源可用，q引導的等待佇列被喚醒。
interruptible_sleep_on作用是一樣的， 只不過它把程序狀態置為TASK_INTERRUPTIBLE
*/
 

（5）喚醒等待佇列：

//可喚醒處於TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態的程序；
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)

//只能喚醒處於TASK_INTERRUPTIBLE狀態的程序
#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

三、作業系統中睡眠、阻塞、掛起的區別形象解釋

掛起執行緒的意思是線上程中主動使用排程函式，將自己掛起，何時在執行需要等待系統排程實現，無法預知，可能在執行完排程函式後，核心馬上又排程回來，繼續執行。

使執行緒睡眠的意思是線上程中使用能夠睡眠的語句，然後讓執行緒進入睡眠狀態，讓出cpu，直到滿足要求的事情發生了再喚醒執行緒繼續執行，比如睡眠定時時間到達，或者睡眠被打斷，或者睡眠等待的資源得到時。

執行緒阻塞有點是不一定會發生的意思，比如在執行函式的時候執行到摸一個位置需要一個資源，如果這個資源可用就繼續執行，如果這個資源不可用程式會進行睡眠並等待資源可用時在喚醒。這與執行緒主動睡眠的區別就是是否阻塞睡眠需要根據一定的條件進行。

四、阻塞與非阻塞操作

阻塞操作是指在執行裝置操作時若不能獲得資源則掛起程序，直到滿足可操作的條件後在進行操作。

非阻塞操作的程序在不能進行裝置操作時並不掛起，它或者被放棄，或者不停的查詢，直到可以進行操作為止。

在簡單字元裝置驅動, 我們看到如何實現read和write方法。但是我們僅僅實現了阻塞的方式，也就是我們的應用程式不論如何設定，我們的驅動只支援阻塞方式。

在驅動中如何知道應用程式的設定呢？驅動中使用的是read或者write函式的引數struct file中的f_flags標誌判斷應用程式是否設定了非阻塞。

判斷程式碼片段如下：

if (file->f_flags & O_NONBLOCK)       /* 非 阻塞操作 */  
{  
    if (!ev_press)                 /* ev_press 為 1 表示有按鍵按下，為 0 if 成立 ，沒有按鍵按下， */  
        return -EAGAIN;        /* 返回 -EAGAIN 讓再次來執行 */  
}  
else                                   /* 阻塞操作 */  
{  
   /* 如果沒有按鍵動作, 休眠 */  
    wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);  
} 

五、IO多路複用poll

函式原型如下

static unsigned int poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)

第一個引數是file結構體指標，第三個引數是輪詢表指標

這個函式應該進行兩項工作

（1）對可能引起裝置檔案狀態變化的等待佇列呼叫poll_wait()函式，將對應的等待佇列頭新增到poll_table

（2）返回表示是否能對裝置進行無阻塞讀，寫訪問的掩碼

poll_wait()函式原型如下

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

從中可以看出是將等待佇列頭wait_address新增到p所指向的結構體中(poll_table)

驅動函式中的poll()函式典型模板如下

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp,struct socket *sock, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;//獲得裝置結構體指標
    ...
    poll_wait(filp,&dev->r_wait,wait);//加讀等待佇列頭到poll_table
    poll_wait(filp,&dev->w_wait,wait);//加寫等待佇列頭到poll_table
    ...
    if(...)//可讀
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    if(...)//可寫
        mask |= POLLOUT | POLLRDNORM;
    ...
    return mask;
}

六、應用程式實現IO複用

驅動程式中的poll函式，在應用程式中對應著select、poll、epoll函式。

Select使用方法

1）將要監控的檔案新增到檔案描述符集

2）呼叫select開始監控

3）判斷檔案是否發生變化

系統提供了4個巨集對描述符集進行操作：

#include<sys/select.h>
Void FD_SET(int fd, fd_set *fdset)
Void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)
Void FD_ZERO(fd_set *fdset)
Void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset)

巨集FD_SET將檔案描述符fd新增到檔案描述符fdset中

巨集FD_CLR從檔案描述符集fdset中清除檔案描述符fd

巨集FD_ZERO清空檔案描述符集fdset

在呼叫select後使用FD_ISSET來檢測檔案描述符集fdset中的檔案fd發生了變化

使用例子(對兩個檔案進行讀監控)：

FD_ZERO(&fds);//清空集合
FD_SET(fd1,&fds);//設定描述符
FD_SET(fd2,&fds);//設定描述符
 
Maxfdp = fd1+1;//描述符最大值加1，假設fd1>fd2
 
Switch(select(maxfdp,&fds,NULL,NULL,&timeout))//讀監控
 
Case -1: exit(-1);break;//select錯誤，退出程式
Case 0:break;
Default:
If(FD_ISSET(fd1,&fds)) //測試fd1是否可讀

select的幾大缺點：

（1）每次呼叫select，都需要把fd集合從使用者態拷貝到核心態，這個開銷在fd很多時會很大

（2）同時每次呼叫select都需要在核心遍歷傳遞進來的所有fd，這個開銷在fd很多時也很大

（3）select支援的檔案描述符數量太小了，預設是1024

poll使用方法

poll的實現和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結構而不是select的fd_set結構，其他的都差不多。

epoll使用方法

epoll既然是對select和poll的改進，就應該能避免上述的三個缺點。那epoll都是怎麼解決的呢？在此之前，我們先看一下epoll和select和poll的呼叫介面上的不同，select和poll都只提供了一個函式——select或者poll函式。而epoll提供了三個函式，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是建立一個epoll控制代碼；epoll_ctl是註冊要監聽的事件型別；epoll_wait則是等待事件的產生。

　　對於第一個缺點，epoll的解決方案在epoll_ctl函式中。每次註冊新的事件到epoll控制代碼中時（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會把所有的fd拷貝進核心，而不是在epoll_wait的時候重複拷貝。epoll保證了每個fd在整個過程中只會拷貝一次。

　　對於第二個缺點，epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把current輪流加入fd對應的裝置等待佇列中，而只在epoll_ctl時把current掛一遍（這一遍必不可少）併為每個fd指定一個回撥函式，當裝置就緒，喚醒等待佇列上的等待者時，就會呼叫這個回撥函式，而這個回撥函式會把就緒的fd加入一個就緒連結串列）。epoll_wait的工作實際上就是在這個就緒連結串列中檢視有沒有就緒的fd（利用schedule_timeout()實現睡一會，判斷一會的效果，和select實現中的第7步是類似的）。

對於第三個缺點，epoll沒有這個限制，它所支援的FD上限是最大可以開啟檔案的數目，這個數字一般遠大於2048,舉個例子,在1GB記憶體的機器上大約是10萬左右，具體數目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數目和系統記憶體關係很大。

總結：

（1）select，poll實現需要自己不斷輪詢所有fd集合，直到裝置就緒，期間可能要睡眠和喚醒多次交替。而epoll其實也需要呼叫epoll_wait不斷輪詢就緒連結串列，期間也可能多次睡眠和喚醒交替，但是它是裝置就緒時，呼叫回撥函式，把就緒fd放入就緒連結串列中，並喚醒在epoll_wait中進入睡眠的程序。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時候要遍歷整個fd集合，而epoll在“醒著”的時候只要判斷一下就緒連結串列是否為空就行了，這節省了大量的CPU時間。這就是回撥機制帶來的效能提升。

（2）select，poll每次呼叫都要把fd集合從使用者態往核心態拷貝一次，並且要把current往裝置等待佇列中掛一次，而epoll只要一次拷貝，而且把current往等待佇列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開始，注意這裡的等待佇列並不是裝置等待佇列，只是一個epoll內部定義的等待佇列）。這也能節省不少的開銷。

參考資料：

七、驅動中的非同步通知機制

非同步通知是，一旦裝置就緒，則主動向應用程式傳送訊號，應用程式根本就不需要查詢裝置狀態，類似於中斷的概念，一個程序收到一個訊號與處理器收到一箇中斷請求可以說是一樣的。訊號是非同步的，一個程序不必通過任何操作來等待訊號的到達。

在linux中，非同步通知是使用訊號來實現的，而在linux，大概有30種訊號，比如大家熟悉的ctrl+c的SIGINT訊號，程序能夠忽略或者捕獲除過SIGSTOP和SIGKILL的全部訊號，當訊號背捕獲以後，有相應的函式來處理它。

在驅動程式可以將特定訊號傳送到特定應用程序中。因此，應該在合適的時候讓裝置驅動傳送訊號，驅動中應實現fasync()函式。並在裝置資源可獲得時，呼叫kill_fasync()函式激發相應的訊號。

驅動中實現非同步通知機制很簡單。首先說fasync()函式的實現。

static int xxx_fasync(int fd,struct file *filp,int mode)  
{  
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;  
    return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);  
}  

這個就是標準模板。

然後在需要傳送訊號的地方呼叫 kill_fasync()函式，釋放訊號。

釋放訊號的函式：

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)  

下面我們來看下支援非同步通知的模板。

裝置結構體：

struct xxx_dev{  
        struct cdev cdev;  
    ......  
    struct fasync_struct *async_queue;  
};  
fasync()函式：
static int xxx_fasync(int fd,struct file *filp,int mode)  
{  
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;  
    return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);  
}  

在裝置資源可以獲得時，應該呼叫kill_fasync()釋放SIGIO訊號，可讀時第三個引數是POLL_IN，可寫時為POLL_OUT.

static ssize_t xxx_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos)  
{  
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;  
    ......  
    if(dev->async_queue)  
        kill_fasync(&dev->async_queue,SIGIO,POLL_IN);  
        ......  
}  

在release函式中，應呼叫fasync()函式將檔案從非同步通知的列表中刪除。

int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp)  
{  
    xxx_fasync(-1,filp,0);  
    return 0;  
}  

八、應用程式中給驅動註冊訊號的機制

在應用程式中需要3步將訊號與驅動繫結。

         1、註冊 SIGIO訊號

            signal(SIGIO, handler);

         2、設定程序為檔案的屬主

            fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

         3、設定非同步屬性

            int flags;

            flags = fcntl(fd, F_GETFL);

            flags |= FASYNC;

            fcntl(fd, F_SETFL, flags);

然後當驅動傳送訊號的時候就會自動呼叫應用程式的訊號處理函式。

應用程式模板：

void input_handler(int num)  
{  
   ……
}  
main()  
{  
    int oflags;  
      
    signal(SIGIO,input_handler);  
    fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid());  
    oflags=fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);  
    fcntl(STDIN_FILENO,F_SETFL,oflags|FASYNC);  
  
    while(1);  
}  

九、總結

阻塞與非阻塞操作

（1）定義並初始化等待對列頭；

（2）定義並初始化等待佇列；

（3）把等待佇列新增到等待佇列頭

（4）設定程序狀態（TASK_INTERRUPTIBLE（可以被訊號打斷）和TASK_UNINTERRUPTIBLE（不能被訊號打斷））

（5）呼叫其它程序

poll機制

（1）把等待佇列頭加到poll_table

（2）返回表示是否能對裝置進行無阻塞讀，寫訪問的掩碼

非同步通知機制

（1）當發出 F_SETOWN,什麼都沒發生,除了一個值被賦值給filp->f_owner.

（2）當 F_SETFL被執行來開啟FASYNC,驅動的fasync方法被呼叫.這個方法被呼叫無論何時FASYNC的值在filp->f_flags中被改變來通知驅動這個變化,因此它可正確地響應.這個標誌在檔案被開啟時預設地被清除.我們將看這個驅動方法的標準實現,在本節.

（3）當資料到達,所有的註冊非同步通知的程序必須被髮出一個SIGIO訊號.