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linux设备驱动归纳总结(三):5.阻塞型IO实现

2015年03月11日 驱动开发 ⁄ 共 8016字 ⁄ 字号 评论 1 条 ⁄ 阅读 73 次

在网上看到的,讲的不错,遂转载过来。原文地址:http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-60025.html

 

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一、休眠简介:

进程休眠,简单的说就是正在运行的进程让出CPU。休眠的进程会被内核搁置在在一边,只有当内核再次把休眠的进程唤醒,进程才会会重新在CPU运行。这是内核中的进程调度,以后的章节会介绍。

现在应该先知道这样的一个概念,一个CPU在同一时间只能有一个进程在运行,在宏观上,我们觉得是所有进程同时进行的。实际上并不是这样,内核给每个进程分配了4G的虚拟内存,并且让每个进程傻乎乎的以为自己霸占着CPU运行。同时,内核暗中的将所有的进程按一定的算法将CPU轮流的给每个进程使用,而休眠就是进程没有被运行时的一种形式。在休眠下,进程不占用CPU,等待被唤醒。

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二、阻塞型IO的实现:

知道什么是休眠,接下来就好办了。接下来就是要实现阻塞型的readwrite函数,函数将实现一下功能:

read:当没数据可读时,函数让出CPU,进入休眠状态,等待write写入数据后唤醒read

write:写入数据,并唤醒read

先上函数:只上需要修改的函数,openrelease就不贴了


/*3rd_char_5/1st/test.c*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>

#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>

#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/errno.h>

#define DEBUG_SWITCH 1
#if DEBUG_SWITCH
#define P_DEBUG(fmt, args...) printk("<1>" "<kernel>[%s]"fmt, __FUNCT ION__, ##args)
#else
#define P_DEBUG(fmt, args...) printk("<7>" "<kernel>[%s]"fmt, __FUNCT ION__, ##args)
#endif

#define DEV_SIZE 100

struct _test_t{
char kbuf[DEV_SIZE];
unsigned int major;
unsigned int minor;
unsigned int cur_size;
dev_t devno;
struct cdev test_cdev;
wait_queue_head_t test_queue; //1、定义等待队列头
};

。。。。。省略。。。。。。。

ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
{
int ret;
struct _test_t *dev = filp->private_data;

/*休眠*/
P_DEBUG("read data.....\n");
if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))
return - ERESTARTSYS;

if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){
ret = - EFAULT;
}else{
ret = count;
dev->cur_size -= count;
P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
}

return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
}

ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
{
int ret;
struct _test_t *dev = filp->private_data;

if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){
ret = - EFAULT;
}else{
ret = count;
dev->cur_size += count;
P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);
P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);
/*唤醒*/
wake_up_interruptible(&dev->test_queue);
}

return ret; //返回实际写入的字节数或错误号
}

struct file_operations test_fops = {
.open = test_open,
.release = test_close,
.write = test_write,
.read = test_read,
};

struct _test_t my_dev;

static int __init test_init(void) //模块初始化函数
{
int result = 0;
my_dev.cur_size = 0;
my_dev.major = 0;
my_dev.minor = 0;

if(my_dev.major){
my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);
result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;
}else{
result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");
my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);
my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);
}

if(result < 0){
P_DEBUG("register devno errno!\n");
goto err0;
}

printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);

cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);
my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;
/*初始化等待队列头,注意函数调用的位置*/
init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);

result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);
if(result < 0){
P_DEBUG("cdev_add errno!\n");
goto err1;
}

printk("hello kernel\n");
return 0;

err1:
unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);
err0:
return result;
}

为了方便讲解,函数精简了很多,其他都是之前已经讲过的。

 

下面开始介绍上面使用的知识:

知识1)什么是等待队列。

前面说了进程休眠,而其他进程为了能够唤醒休眠的进程,它必须知道休眠的进程在哪里,出于这样的原因,需要有一个称为等待队列的结构体。等待队列是一个存放着等待某个特定事件进程链表

在这里的程序,用于存放等待唤醒的进程。

既然是队列,当然要有个队列头,在使用等待队列之前,必须先定义并初始化等待队列头。

先看一下队列头的样子:


/*linux/wait.h*/

struct __wait_queue_head {

spinlock_t lock; //这个是自旋锁,在这里不需要理会。

struct list_head task_list; //这就是队列头中的核心,链表头。

};

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

说白了就是定义并初始化一个链表。以后就能够在这个链表添加需要等待的进程了。

定义并初始化队列头有两种方法:

1)静态定义并初始化,一个函数执行完两个操作。省力又省心。


DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)

使用:定义并初始化一个叫name的等待队列。

2)分开两步执行。


2.1)定义

wait_queue_head_t test_queue;

2.2)初始化

init_waitqueue_head(&test_queue);

我使用的是第二种方法,这些都是在加载模块时应该完成的操作。其中,等待队列头的定义我放在”struct _test_t”结构体中,初始化放在模块加载函数中。

这里值得注意的是初始化函数的位置,它必须在cdev添加函数”cdev_add”。因为”cdev_add”执行成功就意味着设备可以被操作,设备被操作前当然需要把所有的事情都干完,包括等待队列的初始化。

 

知识2)进程休眠


在test_read函数中就实现了进程休眠,使用了函数”wait_evenr_interruptible”。

wait_event_interruptible(wq, condition)

使用:

如果condition不为真,函数将进程添加到等待队列头wq并等待唤醒。

返回值:

添加成功返回0。另外,interruptition的意思是休眠进程可以被某个信号中断中断,如果被中断,驱动程序应该返回-ERESTARTSYS。

这有一类的函数,操作跟”wait_evevt_interruptition”类似


wait_event(queue, condition)

/*函数成功会进入不可中断休眠,不推荐*/
wait_event_interruptible(queue, condition)

/*函数调用成功会进入可中断休眠,推荐,返回非零值意味着休眠被中断,且驱动应返回-ERESTARTSYS*/
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
/*比上面两个函数多了限时功能,若休眠超时,则不管条件为何值返回0,*/

上面的四个函数大致都是完成一下的操作:

wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0)举例:

1、定义并初始化一个wait_queue_t结构体,然后将它添加到等待队列test_queue中。

2、更改进程的状态,休眠的状态有两种:(可中断休眠)TASK_INTERRUPTIBLE和(不可中断休眠)TASK_UNINTERRUPTIBLE。上面的函数会切换到可中断休眠。

3、判断条件 dev->cur_size > 0是否成立,如果不成立,则调用函数schedule()让出CPU。注意,一旦让出CPU进入休眠后,进程再次被唤醒后就会从这一步开始,再次检测条件是否成立,如果还是不成立,继续让出CPU,等待下一次的唤醒。如果成立,则进行下一步的操作。所以,这个函数的条件会被多次判断,因此这个判断语句并不能对这个进程带来任何副作用。

4、条件成立后做一些相应的清理工作,并把进程状态更改为TASK_RUNNING

知识3)唤醒休眠进程。

test_write函数中使用wake_up_interruptible(&dev->test_queue)唤醒指定等待队列中睡眠的进程。

这里也有两个类似的函数:


void wake_up(wait_queue_head_t *queue); //唤醒等待队列中所有休眠的进程
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue); //唤醒等待队列中所有可中断睡眠的进程

一般来说,用 wake_up 唤醒 wait_event ;用 wake_up_interruptible 唤醒wait_event_interruptible

一旦上面的函数调用成功,等待队列里面所有符合休眠状态的进程都会被唤醒,所有进程都会执行上面说的休眠函数的第三步——轮流占用CPU来是判断时候否符合条件。一旦有一个进程符合条件,那个进程就会运行下去,其他进程变回原来的休眠状态等待下一次的被唤醒。如果全部都不符合,全部都会变回原来的休眠状态。

linux设备驱动程序》P160有介绍独占等待的概念,大概的意思就是不要让所有符号休眠状态的进程同时被唤醒,只唤醒其中的一个。

知识点已经介绍完,总结一下上面驱动函数的操作:

1)首先需要定义并初始化一个等待队列。

2test_read函数中,如果条件不符合,调用该函数的进程就会进入休眠。

3)每当另一个进程调用test_write函数唤醒等待队列,test_read中的函数就会再一次判断条件是否符合,如果不符合,就会继续休眠,直到哪次的唤醒时条件符合。

写两个应用程序验证驱动:


/*app_read.c*/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(void)
{
char buf[20];
int fd;
int ret;

fd = open("/dev/test", O_RDWR);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return -1;
}

read(fd, buf, 10);
printf("<app>buf is [%s]\n", buf);

close(fd);
return 0;
}


/*app_write*/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(void)
{
char buf[20];
int fd;
int ret;

fd = open("/dev/test", O_RDWR);
if(fd < 0)
{
perror("open");
return -1;
}

write(fd, "techbulo", 8);

close(fd);
return 0;
}

验证一下:


[root: 1st]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 1st]# ./app_read& //先后台运行app_read

<kernel>[test_read]read data..... //因为没有数据,程序阻塞

[root: 1st]# ./app_write //再运行app_write

<kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]

<kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]

<kernel>[test_read]read 8 bytes, cur_size:[0] //read继续执行

<app>buf is [techbulo] //打印读到的内容

[1] + Done ./app_read

[root: 1st]#

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三、非阻塞型操作的实现

上面的程序虽然不是很完善,但基本的功能已经实现了,但还有一个问题需要解决,当我们在应用层以非阻塞方式打开文件时,读写操作不满足条件时并不阻塞,而是直接返回。

实现非阻塞操作也很简单,判断filp->f_flags中的是否存在O_NONBLOCK标志(标志在<linux/fcntl.h>定义,并被<linux/fs.h>自动包含),如果有就返回-EAGAIN

贴上修改后的程序,其实就加了两行:


/*3rd_char_5/2nd/test.c*/

ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

{

int ret;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)

return - EAGAIN;

/*休眠*/

P_DEBUG("read data.....\n");

if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))

return - ERESTARTSYS;

if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){

ret = - EFAULT;

}else{

ret = count;

dev->cur_size -= count;

P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

}

return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

}

再来个应用程序:


#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <errno.h>

int main(void)

{

char buf[20];

int fd;

int ret;

fd = open("/dev/test", O_RDWR | O_NONBLOCK);

if(fd < 0)

{

perror("open");

return -1;

}

ret = read(fd, buf, 10);

if (ret = -1) 检查错误的原因

{

perror("open");

printf("errno = %d\n", errno);

}

else

{

printf("<app>buf is [%s]\n", buf);

}

close(fd);

return 0;

}

验证一下:


[root: 2nd]# ./app_read

open: Resource temporarily unavailable

errno = 29 //这就是-EAGAIN错误号返回给用户态的errno

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四、总结

上面讲了四个内容:

1什么是休眠.

2什么是等待队列

3怎么通过等待队列把进程休眠

4怎么唤醒进程

其中有三处处扩展:

1我只是实现了read的阻塞性IO,在一般的驱动中,write也是有阻塞功能的,大家可以尝试实现。

2我只介绍了如何使用最简单的函数把进程休眠,在《linux设备驱动程序》有介绍高级休眠,其实就是细说wait_event的内部是用什么函数实现——我上面讲述的四个步骤。

3.唤醒进程时的高级操作——独占等待。

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  1. 广告联盟 2015年03月25日 上午10:09  @回复  Δ-49楼 回复

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