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read和write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,open和release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”前。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:
以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。
在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。
2)test_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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