Linux高级字符设备之Poll操作

在用户程序中，select()和poll()也是与设备阻塞与非阻塞访问息息相关的，使用非阻塞I/O的应用程序通常会使用select和poll系统调用查询是否可对设备进行无阻塞的访问。select系统调用最终会引发设备驱动中的poll函数被执行。

一、select()系统调用：

用于多路监控，当没有一个文件满足要求时，select将阻塞调用进程。

1.select()原型：

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,const struct timeval *timeout);
/*
*@maxfd : 需要检查的文件描述符个数，数值应该比是三组fd_set中最大数更大(即一般取所有文件描述符的最大值加1)，而不是实际文件描述符的总数。
*@readfds: 用来检查可读性的一组文件描述符。
*@writesfds: 用来检查可写性的一组文件描述符。
*@exceptsfds:用来检查意外状态的文件描述符。(注：错误并不是意外状态)
*@timeout:NULL指针代表无限等待，否则是指向timeval结构的指针，代表最长等待时间。(如果其中tv_sec和tv_usec都等于0, 则文件描述符的状态不被影响，但函数并不挂起) 

返回值：

（1）正常情况下返回满足要求的文件描述符个数；

（2）经过了timeout等待后仍无文件满足要求，返回0；

（3）如果select被某个信号中断，将返回-1并设置errno为EINTR；

（4）若出错，返回-1并设置相应的errno；

2.select的使用方法：

（1）将要监控的文件添加到文件描述符集；

（2）调用select开始监控；

（3）判断文件是否发生变化；

3.系统提供四个宏对描述符集进行操作

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中；
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd；
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集中的文件fd发生了变化
void FD_ZERO(fd_set *fdset);//清空文件描述符集

二、Poll方法：

1.poll函数原型：

unsigned int(*poll)(struct file *filp, struct poll_table *wait);
//第一个参数为file结构体指针，第二个参数为轮询表指针。

这个函数应该进行以下两项工作:

（1）对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait()函数，将对应等待队列添加到poll_table中； 

（2）返回表示是否能对设备进行无阻塞可读或可写访问的掩码；

　　位掩码：POLLRDNORM， POLLIN，POLLOUT，POLLWRNORM

　　设备可读，通常返回：(POLLIN | POLLRDNORM)

　　设备可写，通常返回：(POLLOUT | POLLWRNORM)

三、调用过程：

Linux下select调用的过程:

1、用户层应用程序调用select(),底层调用poll())

2、核心层调用sys_select() ------> do_select()

　　最终调用文件描述符fd对应的struct file类型变量的struct file_operations *f_op的poll函数。

　　poll指向的函数返回当前可否读写的信息。

　　1)如果当前可读写，返回读写信息。

　　2)如果当前不可读写，则阻塞进程，并等待驱动程序唤醒，重新调用poll函数，或超时返回。

3、驱动需要实现poll函数。

当驱动发现有数据可以读写时，通知核心层，核心层重新调用poll指向的函数查询信息。

poll_wait(filp,&wait_q,wait) // 此处将当前进程加入到等待队列中，但并不阻塞

 　在中断中使用wake_up_interruptible(&wait_q)唤醒等待队列。

四、实例分析：

1.memdev.h

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
  char *data;
  unsigned long size;
  wait_queue_head_t inq;
};

#endif /* _MEMDEV_H_ */

2.memdev.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/poll.h>
#include "memdev.h"

static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/

module_param(mem_major, int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/

struct cdev cdev;

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;

    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);

    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
            return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];

    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;

    return 0;
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}

/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

  /*判断读位置是否有效*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;

  while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while */
  {
        if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
            return -EAGAIN;

    wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
  }

  /*读数据到用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
  {
    ret =  - EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;

    printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d
", count, p);
  }

  have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
  /* 唤醒写进程 */
  return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;

  /*从用户空间写入数据*/
  if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
    ret =  - EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;

    printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d
", count, p);
  }

  have_data = true; /* 有新的数据可读 */

    /* 唤醒读进程 */
    wake_up(&(dev->inq));

  return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
    loff_t newpos;

    switch(whence) {
      case 0: /* SEEK_SET */
        newpos = offset;
        break;

      case 1: /* SEEK_CUR */
        newpos = filp->f_pos + offset;
        break;

      case 2: /* SEEK_END */
        newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
        break;

      default: /* can't happen */
        return -EINVAL;
    }
    if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
        return -EINVAL;

    filp->f_pos = newpos;
    return newpos;

}
unsigned int mem_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
    struct mem_dev  *dev = filp->private_data;
    unsigned int mask = 0;

   /*将等待队列添加到poll_table */
    poll_wait(filp, &dev->inq,  wait);


    if (have_data)         mask |= POLLIN | POLLRDNORM;  /* readable */

    return mask;
}


/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .llseek = mem_llseek,
  .read = mem_read,
  .write = mem_write,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
  .poll = mem_poll,
};

/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  int result;
  int i;

  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);

  /* 静态申请设备号*/
  if (mem_major)
    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
  else  /* 动态分配设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    mem_major = MAJOR(devno);
  }

  if (result < 0)
    return result;

  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  cdev.owner = THIS_MODULE;
  cdev.ops = &mem_fops;

  /* 注册字符设备 */
  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);

  /* 为设备描述结构分配内存*/
  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
  if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));

  /*为设备分配内存*/
  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
  {
        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);

      /*初始化等待队列*/
     init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
     //init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].outq));
  }

  return 0;

  fail_malloc:
  unregister_chrdev_region(devno, 1);

  return result;
}

/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
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 memdev Error! ");  
14.         return -1;  
15.     }  
16.       
17.     /*写入设备*/  
18.     strcpy(Buf,"memdev is char dev!");  
19.     printf("Write BUF: %s ",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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int fd;
    fd_set rds;
    int ret;
    char Buf[128];

    /*初始化Buf*/
    strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
    printf("BUF: %s
",Buf);

    /*打开设备文件*/
    fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);

    FD_ZERO(&rds);
    FD_SET(fd, &rds);

    /*清除Buf*/
    strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
    printf("Read BUF1: %s
",Buf);

    ret = select(fd + 1, &rds, NULL, NULL, NULL);
    if (ret < 0)
    {
        printf("select error!
");
        exit(1);
    }
    if (FD_ISSET(fd, &rds))
        read(fd, Buf, sizeof(Buf));

    /*检测结果*/
    printf("Read BUF2: %s
",Buf);

    close(fd);

    return 0;
}