Linux异步通知fasync与异步I/O

异步通知fasync是应用于系统调用signal和sigaction函数，下面我会使用signal函数。

简单的说，signal函数就是让一个信号与与一个函数对应，当接收到这个信号就会调用相应的函数。

 

一、什么是异步通知

个人认为，异步通知类似于中断的机制，如下面的将要举例的程序，当设备可写时，设备驱动函数发送一个信号给内核，告知内核有数据可读,在条件不满足之前，并不会造成阻塞。而不像之前学的阻塞型IO和poll，它们是调用函数进去检查，条件不满足时还会造成阻塞。

 

二、应用层中启用异步通知机制

其实就三个步骤：

1）signal(SIGIO, sig_handler);

调用signal函数，让指定的信号SIGIO与处理函数sig_handler对应。

2）fcntl(fd, F_SET_OWNER, getpid());

指定一个进程作为文件的“属主(filp->owner)”，这样内核才知道信号要发给哪个进程。

3）f_flags = fcntl(fd, F_GETFL);

fcntl(fd, F_SETFL, f_flags | FASYNC);

在设备文件中添加FASYNC标志，驱动中就会调用将要实现的test_fasync函数。

三个步骤执行后，一旦有信号产生，相应的进程就会收到。

来个应用程序：

/*3rd_char_7/1st/app/monitor.c*/

1 #include <stdio.h>

2 #include <sys/types.h>

3 #include <sys/stat.h>

4 #include <fcntl.h>

5 #include <sys/select.h>

6 #include <unistd.h>

7 #include <signal.h>

8

9 unsigned int flag;

10

11 void sig_handler(int sig)

12 {

13 printf("<app>%s\n", __FUNCTION__);

14 flag = 1;

15 }

16

17 int main(void)

18 {

19 char buf[20];

20 int fd;

21 int f_flags;

22 flag = 0;

23

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

25 if(fd < 0)

26 {

27 perror("open");

28 return -1;

29 }

30 /*三个步骤*/

31 signal(SIGIO, sig_handler);

32 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

33 f_flags = fcntl(fd, F_GETFL);

34 fcntl(fd, F_SETFL, FASYNC | f_flags);

35

36 while(1)

37 {

38 printf("waiting \n"); //在还没收到信号前，程序还在不停的打印

39 sleep(4);

40 if(flag)

41 break;

42 }

43

44 read(fd, buf, 10);

45 printf("finish: read[%s]\n", buf);

46

47 close(fd);

48 return 0;

49 }

 

三、驱动中需要实现的异步通知

上面说的三个步骤，内核已经帮忙实现了前两个步骤，只需要我们稍稍实现第三个步骤的一个简单的传参。

 

实现异步通知，内核需要知道几个东西：哪个文件(filp)，什么信号(SIGIIO)，发给哪个进程(pid)，收到信号后做什么(sig_handler)。这些都由前两个步骤完成了。

回想一下，在实现等待队列中，我们需要将一个等待队列wait_queue_t添加到指定的等待队列头wait_queue_head_t中。

在这里，同样需要把一个结构体struct fasync_struct添加到内核的异步队列头(名字是我自己取的)中。这个结构体用来存放对应设备文件的信息(如fd, filp)并交给内核来管理。一但收到信号，内核就会在这个所谓的异步队列头找到相应的文件(fd)，并在filp->owner中找到对应的进程PID，并且调用对应的sig_handler了。

看一下fasync_struct

1097 struct fasync_struct {

1098 int magic;

1099 int fa_fd;

1100 struct fasync_struct *fa_next; /* singly linked list */ //一看就觉得他是链表

1101 struct file *fa_file;

1102 };

 

上面红色标记说所的步骤都是由内核来完成，我们只要做两件事情：

1）定义结构体fasync_struct。

struct fasync_struct *async_queue;

2）实现test_fasync，把函数fasync_helper将fd,filp和定义的结构体传给内核。

108 int test_fasync (int fd, struct file *filp, int mode)

109 {

110 struct _test_t *dev = filp->private_data;

111

112 return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);

113 }

讲一下函数fasync_helper:

int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)

一看就知道，前面的三个参数其实就是teat_fasync的三个参数，只要我们定义号的fasync_struct结构体也传进去就可以了。内核会完成我上面红色自己所说的事情。

另外还有两件事：

3）当设备可写时，调用函数kill_fasync发送信号SIGIO给内核。

83 if (dev->async_queue){

84 kill_fasync(&dev->async_queue,SIGIO, POLL_IN);

85 }

讲解一下这个函数：

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

sig就是我们要发送的信号。

band(带宽)，一般都是使用POLL_IN，表示设备可读，如果设备可写，使用POLL_OUT

4）当设备关闭时，需要将fasync_struct从异步队列中删除：

117 test_fasync(-1, filp, 0);

删除也是调用test_fasync，不过改了一下参数而已。

既然说完了就上程序：上面的函数需要包含<linux/fs.h>

/*3rd_char_7/1st/test.c*/

23 struct _test_t{

24 char kbuf[DEV_SIZE];

25 unsigned int major;

26 unsigned int minor;

27 unsigned int cur_size;

28 dev_t devno;

29 struct cdev test_cdev;

30 wait_queue_head_t test_queue;

31 wait_queue_head_t read_queue;

32 wait_queue_head_t write_queue;

33 struct fasync_struct *async_queue; //1.定义结构体

34 };

。。。。省略。。。。

68 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

69 {

70 int ret;

71 struct _test_t *dev = filp->private_data;

72

73 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){

74 ret = - EFAULT;

75 }else{

76 ret = count;

77 dev->cur_size += count;

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

79 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);

80 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);

81 wake_up_interruptible(&dev->read_queue);

82

83 if (dev->async_queue){

84 kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); //3.可写时发送信号

85 }

86 }

87

88 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

89 }

。。。。省略。。。。

108 int test_fasync (int fd, struct file *filp, int mode) //2.实现test_fasync

109 {

110 struct _test_t *dev = filp->private_data;

111

112 return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);

113 }

114

115 int test_close(struct inode *node, struct file *filp)

116 {

117 test_fasync(-1, filp, 0); //4文件关闭时将结构体从伊部队列中删除

118 return 0;

119 }

120

121 struct file_operations test_fops = {

122 .open = test_open,

123 .release = test_close,

124 .write = test_write,

125 .read = test_read,

126 .poll = test_poll,

127 .fasync = test_fasync, //此步骤切记

128 };

.。。。。。。

 

程序写完了就得验证一下：

[root: app]# insmod ../test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

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

[root: app]# ./monitor& //后台运行monitor

waiting

[root: app]# waiting //不停的打印，没有休眠

waiting

waiting

waiting

waiting

waiting

[root: app]# ./app_write //调用函数写数据，

<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]

<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]

<app>s<kernel>[test_read]read data..... //写完后minoter接收到信号，跳出循环读数据

<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]

ig_handler //这是在sig_hanler里面打印的，本应出现在读函数之前，因为各个函数抢着打印，所以，出现了乱序，不过不影响验证。

finish: read[xiao bai]

[1] + Done ./monitor

 

贴张图总结一下：

四、阻塞型IO、poll和异步通知的区别：

一个最重要的区别：

1）异步通知是不会造成阻塞的。

2）调用阻塞IO时如果条件不满足，会在驱动函数中的test_read或test_write中阻塞。

3）如果条件不满足，selcet会在系统调用中阻塞。

所谓的异步，就是进程可以在信号没到前干别的事情，等到信号到来了，进程就会被内核通知去做相应的信号操作。进程是不知道信号什么时候来的。

 
 五、异步I/O

异步IO,AIO.其思想是允许进程发起多个I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到I/O操作完成的通知时，进程就可以检索I/O操作的结果。

为了区分在他们完成时到底是哪个传输操作，需要每个传输操作都有一个唯一的上下文。在AIO中，通过aiocb(AIO I/O Control Block)结构体进行区分。这个结构体包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生I/O（称为完成）通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的I/O操作。

操作函数：

aio_read,对一个有效的文件描述符进行异步读操作，立即返回

aio_write,用来请求一个异步写操作，立即返回，说明请求已经进行排队

aio_error,确定请求状态，返回EINPROGRESS说明请求尚未完成，ECANCELLED请求被应用程序取消，-1错

aio_return,AIO与标准IO的另一个区别是不能立即访问这个函数的返回状态，因为它没有被阻塞在read()调用上，我们要用aio_return()函数。只有在aio_error()调用确定请求已完成时菜调用它。

异步读操作的例程：

1，打开文件

2，准备结构体，包括清零结构体，为结构体分配缓冲区，初始化它的成员

3，aio_read()进行异步读请求

4，aio_error查询状态

5，结束后（可能成功或失败）aio_return获得返回值

 

除了信号之外，应用程序提供一个回调（callback）函数给内核，以便AIO的请求完成后内核调用这个函数。一般来说，下层对上层（如内核对应用）的调用称为回调，与之相反的是调用。

 

块设备和网络设备本身是异步的，只有字符设备必须明确表明应支持AIO.

file_operations中的aio_read(), aio_write()和read(), write()中的offset参数不同，它直接传递值，而后者传递指针，这是因为AIO从来不需要改变文件的位置。