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
--207-->进程进入睡眠
--209-->进程被wake_up唤醒，再次检查条件，如果条件为真，跳出循环，执行finish_wait(),wait_event()返回;如果醒来发现条件仍然不满足, 则执行下一个循环进入睡眠, 周而复始...
--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

3. 无条件睡眠

wait_event是睡在一个条件上, 内核还提供了下面的API进行无条件的睡眠, 只要被wake_up了就会醒来

//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);

4. 唤醒

条件不满足, wait_event就不会返回, 当前调用该接口的进程就会进入睡眠, 为了唤醒这个进程, 通常在另外一个接口或中断处理程序中满足条件并调用wake_up, 另外一个进程调用这个接口的时候,就会唤醒所有睡在这个条件上(这个等待队列头)的进程, 这个这样其实也实现了两个进程之间的"通信"

//唤醒等待的进程
void wake_up(wait_queue_t *wqueue);
void wake_up_interruptible(wait_queue_t *wqueue);

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或另外的接口中置位
        wait_event_interruptible(&xj_waitq_h,condition);
}
static ssize_t demo_write(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
{
    condition = 1;
    wake_up(&xj_waitq_h);
}
static file_operations fops = {
    .read = demo_read,
    .write= demo_write,
};
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);
}