深入理解linux设备驱动中的阻塞型I/O与非阻塞型I/O

 

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    在linux驱动开发中，我们要讨论一个重要的问题，如果驱动程序无法及时满足进程的要求时，驱动程序应如何处理呢？例如，当数据不可以用时，用户可能调用read；或者进程试图写入数据，但因为输出缓冲区已经满了，设备还未准备接受数据。驱动程序该怎么处理这些情况呢？我们的驱动程序应该阻塞该进程，将此置入休眠状态，直到请求可以继续。

（一）休眠(sleep)的介绍

“休眠（sleep）”对于进程而言，将进程标识为一种特殊的状态，并将其从调度器的运行队列中移走；直到某些情况下修改这个特殊状态，进程才回在任意CPU上调度，也即运行该进程。

在linux驱动开发中，通过等待队列存放休眠的进程，当休眠进程被唤醒后，从等待队列中提取出休眠进程。一个等待队列通过一个等待队列头（wait queue head）来管理。实际上，等待队列就是进程链表，其中包含了等待某个特定事件的所有进程。

（1）    初始化等待队列头：

静态初始化：DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);

动态初始化：wait_queue_head_t my_queue;

                      Init_waitqueue_head(&my_queue);

（2）    几种简单休眠的宏：

wait_event(queue, condition);

wait_event_interruptible(queue, condition);

wait_event_timeout(queue, conditon, timeout);

wait_event_interuptible_timeout(queue, conditon, timeout);

       上面所有形式中，queue是等待队列头，condition是休眠前后都要对其condition进行求值进行判断，如果条件满足，就立即退出休眠；interruptible形式的休眠是中断休眠；timeout是设置一种等待限定的时间，如果timeout达到时，立即唤醒进程。

（3）    唤醒休眠的函数：

void wake_up(wait_queue_head_t *queue);

void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

还有其它几种休眠唤醒函数，上面的唤醒函数已经够用了，其它几种形式可以google一下。

 

（二）休眠过程的具体分析

    首先列出wait_event(queue, condition)宏的代码，然后根据代码进行分析休眠过程。

#define wai_event(queue,condition)\

do{                                \

       if(condition) /*条件满足，立即返回*/   \ (1)

           break;                   \

    _wait_event(queue,condition);/*添加到等待队列*/ \

} while（0）\

 

#define _wait_event(queue, conditon)     \

do{\

              DEFINE_WAIT(wait); /*建立并初始化一个等待队列*/  \(2)

       for(;;) \

{\

       prepare_to_wait(&queue, &wait, TASK_UINTERUPTIBLE);\(3)

              if(condition) /*条件满足，立即返回*/   \ (4)

           break;     \

    schedule();/*放弃CPU*/ \ (5)

}\

finish_wait(&queue, &wait); \ (6)

} while(0)\

 

void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait, int state)

{

       unsiged long flags;

       wait->flags &=~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;(7)

       spin_lock_irqsave(&queue->lock, flags);(8)

       if(list_empty(&wait->task_list)) (9)

              _add_wait_queue(queue, wiat); /*加入等待队列*/(10)

       set_current_state(state); /*设置进程状态*/(11)

       spin_unlock_irqrestore(&queue->lock, flags);

} 

 

void finish_wait(wait_queue_head_t *queue, wait_queue_t *wait) (12)

{

       unsigned long flags;

       _set_current_state(TASK_RUNNING);/*恢复进程状态TASK_RUNNING */

       if（!list_empty_careful(&wait->task_list)）

     {

            spin_lock_irqsave(&queue->lock, flags);

            list_del_init(&wait->task_list);

            spin_unlock_irqrestore(&queue->lock, flags);

      } 

} 

 

休眠的具体操作过程

1.  首先要判断休眠条件是否满足，不满足立即返回，如标识（1）所示，在代码中你会看到多次判断休眠条件是否满足，因此这个判断条件中不能带来任何副作用。

2.  初始化一个等待队列wait_queue_t，并将其加入对应的等待队列中。这样不管谁负责唤醒他，都能找到正确的进程。在代码如（2）（3）。对应代码（3），就是调用prepare_to_wait函数，该函数不仅实现等待队列的添加而且实现了进程状态的设置，可以参考代码注释。prepare_to_wait函数中还有一个比较特殊的宏“WQ_FLAG_EXCLUSIVE”，设置标识位，主要防止爆发式唤醒和强夺资源，通过设置WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识后，实现“独占等待”。而代码(7)没有设置了该宏的反向，也即没有实现“独占等待”。其中“独占等待”通过下面两个步骤实现的：（a）等待队列入口设置了“WQ_FLAG_EXCLUSIVE”后，将其加入等待队列的尾部，没有设置该标识的，加入头部。（b）唤醒wake_up时，唤醒第一设置WQ_FLAG_EXCLUSIVE的标识的进程，停止唤醒其它进程。

3.  让出CPU,如代码（5），该进程进入休眠状态。

4.  在代码(5)返回之后，完成一些清理工作，此时进程已经不在需要休眠，因此进程状态重新设置TASK_RUNNING.将进程从等待队列中移除。

 

（三）自己写休眠函数实现休眠操作

 

通过（二）的详细描述休眠过程，可以自己写休眠函数实现休眠操作。设置一个device，然后对device进行写操作，在此写操作中穿插休眠过程，可以自己尝试写该写操作的过程，并实现休眠过程。下面是我的写法，有不对之处，请指正(写操作的过程就省略了，主要实现休眠和唤醒过程)。

 

static unsigned int device_write(struct file*file, const char *buffer, size_t count, loff_t *pos)

{

    ……

    ……

    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);/*定义等待队列*/

    add_wait_queue(&device_wait, &wait);/*添加等待队列*/

    while(!device_writeable(…))/*设备不可写*/

{

    __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/改变进程状态/

    if(file->f_flags&O_NOBBLOCK)/*非阻塞I/O*/

{

    remove_wait_queue(&device，&wait);/移除等待队列入口/

    set_current_state(TASK_RUNNING);/*恢复进程状态*/

    return –EAGAIN;

}

schedule();/放弃cpu/

if(signale_pending(current))

{

    remove_wait_queue(&device，&wait);/移除等待队列入口/

    set_current_state(TASK_RUNNING);/*恢复进程状态*/

}

}

device_write(**);/进行设备写操作/

return count；

} 

 

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