【原創】Linux select/poll機制原理分析
阿新 • • 發佈：2020-04-03
# 前言
- `Read the fucking source code!` --By 魯迅
- `A picture is worth a thousand words.` --By 高爾基
# 1. 概述
Linux系統在訪問裝置的時候，存在以下幾種IO模型：
1. `Blocking IO Model，阻塞IO模型`；
2. `Nonblocking I/O Model，非阻塞IO模型`；
3. `I/O Multiplexing Model，IO多路複用模型`;
4. `Signal Driven I/O Model，訊號驅動IO模型`；
5. `Asynchronous I/O Model，非同步IO模型`；
今天我們來分析下IO多路複用機制，在Linux中是通過`select/poll/epoll`機制來實現的。
先看一下阻塞IO模型與非阻塞IO模型的特點：
- 阻塞IO模型：在IO訪問的時候，如果條件沒有滿足，會將當前任務切換出去，等到條件滿足時再切換回來。
- 缺點：阻塞IO操作，會讓處於同一個執行緒的執行邏輯都在阻塞期間無法執行，這往往意味著需要建立單獨的執行緒來互動。
- 非阻塞IO模型：在IO訪問的時候，如果條件沒有滿足，直接返回，不會block該任務的後續操作。
- 缺點：非阻塞IO需要使用者一直輪詢操作，輪詢可能會來帶CPU的佔用問題。
對單個裝置IO操作時，問題並不嚴重，如果有多個裝置呢？比如，在伺服器中，監聽多個Client的收發處理，這時候IO多路複用就顯得尤為重要了，來張圖：
如果這個圖，讓你有點迷惑，那就像個男人一樣，`man`一下`select/poll`函式吧：
- `select`:
- `poll`
簡單來說，`select/poll`能監聽多個裝置的檔案描述符，只要有任何一個裝置滿足條件，`select/poll`就會返回，否則將進行睡眠等待。
看起來，`select/poll`像是一個管家了，統一負責來監聽處理了。
已經迫不及待來看看原理了，由於底層的機制大體差不多，我將選擇`select`來做進一步分析。
# 2. 原理
## 2.1 select系統呼叫
從`select`的系統呼叫開始：
- `select`系統呼叫，最終的核心邏輯是在`do_select`函式中處理的，參考`fs/select.c`檔案；
- `do_select`函式中，有幾個關鍵的操作：
1. 初始化`poll_wqueues`結構，包括幾個關鍵函式指標的初始化，用於驅動中進行回撥處理；
2. 迴圈遍歷監測的檔案描述符，並且呼叫`f_op->poll()`函式，如果有監測條件滿足，則會跳出迴圈；
3. 在監測的檔案描述符都不滿足條件時，`poll_schedule_timeout`讓當前程序進行睡眠，超時喚醒，或者被所屬的等待佇列喚醒；
- `do_select`函式的迴圈退出條件有三個：
1. 檢測的檔案描述符滿足條件；
2. 超時；
3. 有訊號要處理；
- 在裝置驅動程式中實現的`poll()`函式，會在`do_select()`中被呼叫，而驅動中的`poll()`函式，需要呼叫`poll_wait()`函式，`poll_wait`函式本身很簡單，就是去回撥函式`p->_qproc()`，這個回撥函式正是`poll_initwait()`函式中初始化的`__pollwait()`；
所以，來看看`__pollwait()`函式嘍。
## 2.2 `__pollwait`
- 驅動中的`poll_wait`函式回撥`__pollwait`，這個函式完成的工作是向`struct poll_wqueue`結構中新增一條`poll_table_entry`；
- `poll_table_entry`中包含了等待佇列的相關資料結構；
- 對等待佇列的相關資料結構進行初始化，包括設定等待佇列喚醒時的回撥函式指標，設定成`pollwake`；
- 將任務新增到驅動程式中的等待佇列中，最終驅動可以通過`wake_up_interruptile`等介面來喚醒處理；
這一頓操作，其實就是驅動向`select`維護的`struct poll_wqueue`中註冊，並將呼叫`select`的任務新增到驅動的等待佇列中，以便在合適的時機進行喚醒。所以，本質上來說，這是基於等待佇列的機制來實現的。
是不是還有點抽象，來看看資料結構的組織關係吧。
## 2.3 資料結構關係
- 呼叫`select`系統呼叫的程序/執行緒，會維護一個`struct poll_wqueues`結構，其中兩個關鍵欄位：
1. `pll_table`：該結構體中的函式指標`_qproc`指向`__pollwait`函式；
2. `struct poll_table_entry[]`：存放不同裝置的`poll_table_entry`，這些條目的增加是在驅動呼叫`poll_wait->__pollwait()`時進行初始化並完成新增的；
## 2.4 驅動編寫啟示
如果驅動中要支援`select`的介面呼叫，那麼需要做哪些事情呢？
如果理解了上文中的內容，你會毫不猶豫的大聲說出以下幾條：
1. 定義一個等待佇列頭`wait_queue_head_t`，用於收留等待佇列任務；
2. `struct file_operations`結構體中的`poll`函式需要實現，比如`xxx_poll()`；
3. `xxx_poll()`函式中，當然不要忘了`poll_wait`函式的呼叫了，此外，該函式的返回值`mask`需要注意是在條件滿足時對應的值，比如`EPOLLIN/EPOLL/EPOLLERR`等，這個返回值是在`do_select()`函式中會去判斷處理的；
4. 條件滿足的時候，`wake_up_interruptible`喚醒任務，當然也可以使用`wake_up`，區別是：`wake_up_interruptible`只能喚醒處於`TASK_INTERRUPTIBLE`狀態的任務，而`wake_up`能喚醒處於`TASK_INTERRUPTIBLE`和`TASK_UNINTERRUPTIBLE`狀態的任務；
## 2.5 `select/poll`的差異
- `select`與`poll`本質上基本類似，其中`select`是由`BSD UNIX`引入，`poll`由`SystemV`引入；
- `select`與`poll`需要輪詢檔案描述符集合，並在使用者態和核心態之間進行拷貝，在檔案描述符很多的情況下開銷會比較大，`select`預設支援的檔案描述符數量是1024；
- Linux提供了`epoll`機制，改進了`select`與`poll`在效率與資源上的缺點，未深入瞭解；
# 3. 示例程式碼
## 3.1 核心驅動
示例程式碼中的邏輯：
1. 驅動維護一個count值，當count值大於0時，表明條件滿足，poll返回正常的mask值；
2. poll函式每執行一次，count值就減去一次；
3. count的值可以由使用者通過`ioctl`來進行設定；
```c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define POLL_DEV_NAME "poll"
#define POLL_MAGIC 'P'
#define POLL_SET_COUNT (_IOW(POLL_MAGIC, 0, unsigned int))
struct poll_dev {
struct cdev cdev;
struct class *class;
struct device *device;
wait_queue_head_t wq_head;
struct mutex poll_mutex;
unsigned int count;
dev_t devno;
};
struct poll_dev *g_poll_dev = NULL;
static int poll_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
static void *set_count_thread(void *arg)
{
int fd = *(int *)arg;
unsigned int count_value = 1;
int loop_cnt = 20;
int ret;
while (loop_cnt--) {
ret = ioctl(fd, NOTIFY_SET_COUNT, &count_value);
if (ret < 0) {
printf("ioctl set count value fail:%s\n", strerror(errno));
return NULL;
}
sleep(1);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int fd;
int ret;
pthread_t setcnt_tid;
int loop_cnt = 20;
/* for select use */
fd_set rfds;
struct timeval tv;
fd = open("/dev/poll", O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("/dev/poll open failed: %s\n", strerror(errno));
return -1;
}
/* wait up to five seconds */
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;
ret = pthread_create(&setcnt_tid, NULL,
set_count_thread, &fd);
if (ret < 0) {
printf("set_count_thread create fail: %d\n", ret);
return -1;
}
while (loop_cnt--) {
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(fd, &rfds);
ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
//ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
if (ret == -1) {
perror("select()");
break;
}
else if (ret)
printf("Data is available now.\n");
else {
printf("No data within five seconds.\n");
}
}
ret = pthread_join(setcnt_tid, NULL);
if (ret < 0) {
printf("set_count_thread join fail.\n");
return -1;
}
close(fd);
return 0;
}
```
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202004/1771657-20200402205736416-3832081