linux设备驱动中的阻塞和同步机制

阻塞与非阻塞

• 阻塞调用
  阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。

• 非阻塞调用
  在不能立即得到结果之前该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

等待队列 wait queue

可以用等待队列实现阻塞进程
等待队列基本数据结构是一个双向链表，这个链表存储睡眠的进程。等待队列也与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中异步事件通知机制。它有两种数据结构：等待队列头（wait_queue_head_t）和等待队列项（wait_queue_t）。等待队列头和等待队列项中都包含一个list_head类型的域作为”连接件”。它通过一个双链表和把等待task的头，和等待的进程列表链接起来。

等待队列的实现

linux中，等待队列的定义,头文件：/include/linux/wait.h

struct __wait_queue_head{    spinlock_t lock;    struct list_head task_list;};typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

各个变量成员

• lock自旋锁
  用来对task_list链表起保护作用，当要向task_list链表加入或者删除元素时，内核内部就会锁定lock锁，修改完成后释放。实现了对task_list与操作的过程中对等待队列的互斥访问。

• task_list变量
  一个双向循环链表，存放等待的进程。

等待队列的使用

内核提供了一系列的函数对 struct wait_queue_head_t进行操作
1. 定义和初始化等待队列头的两种方法
(1)

wait_queue_head_t my_queue;init_waitqueue_head(&my_queue);

直接定义并初始化。init_waitqueue_head()函数会将自旋锁初始化为未锁，等待队列初始化为空的双向循环链表。
(2)

DECLARE_WAITQUEUE_HEAD(my_queue);  //内核提供的一个宏定义

定义并初始化，同（1）；
2. 定义等待队列
同样使用内核所提供的宏定义，该宏代码如下

#define DECLARE_WAITQUEUE(name,tsk)   \wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name,tsk)

name的类型为wait_queue_t类型，将其private与设置为tsk，wait_queue_t类型定义：

typedef struct __wait_queue wait_queue_t;struct __wait_queue {    unsigned int flags;#define WQ_FLAG_EXCLUSIVE   0x01    void *private;    wait_queue_func_t func;    struct list_head task_list;};

其中flags域指明该等待的进程是互斥进程还是非互斥进程。其中0是非互斥进程，WQ_FLAG_EXCLUSIVE(0×01)是互斥进程。等待队列(wait_queue_t)和等待对列头(wait_queue_head_t)的区别是等待队列是等待队列头的成员。也就是说等待队列头的task_list域链接的成员就是等待队列类型的(wait_queue_t)。

3. 添加和移除等待队列
linux内核中提供了两个函数用来添加和移除队列

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)

add_wait_queue()函数用来将等待队列元素wait添加到等待队列头q所指向的等待队列链表中。与其相反的是remove_wait_queue()，用来将队列元素wait从等待队列q所指向的等待队列中删除。具体实现为

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait){    unsigned long flags;    wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);    __add_wait_queue(q, wait);    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue);//上面函数设置等待的进程为非互斥进程，并将其添加进等待队列头(q)的队头中。void add_wait_queue_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait){    unsigned long flags;    wait->flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);    __add_wait_queue_tail(q, wait);    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}EXPORT_SYMBOL(add_wait_queue_exclusive);//该函数也和add_wait_queue()函数功能基本一样，只不过它是将等待的进程(wait)设置为互斥进程。void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait){    unsigned long flags;    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);    __remove_wait_queue(q, wait);    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}EXPORT_SYMBOL(remove_wait_queue);

-
4. 等待事件
使用linux内核提供的一些宏

 #define wait_event(wq,condition) #define wait_event_timeout(wq,condition,ret) #define wait_event_interruptible(wq,condition,ret) #define wait_event_interruptible_timeout(wqcondition,ret)

wait_event(): 宏的功能是，在等待队列中睡眠知道condition为真。在等待的期间进程会被置为TASK_UNINTERRUPTIBLE进入睡眠，直到condition变量变为真。每次进程被唤醒的时候都会检查condition的值.

wait_event_timeout()宏: 与wait_event()类似.不过如果所给的睡眠时间为负数则立即返回.如果在睡眠期间被唤醒,且condition为真则返回剩余的睡眠时间,否则继续睡眠直到到达或超过给定的睡眠时间,然后返回0.

wait_event_interruptible()函数: 和wait_event()的区别是调用该宏在等待的过程中当前进程会被设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态.在每次被唤醒的时候,首先检查condition是否为真,如果为真则返回,否则检查如果进程是被信号唤醒,会返回-ERESTARTSYS错误码.如果是condition为真,则返回0.

wait_event_interruptible_timeout()宏: 与wait_event_timeout()类似,不过如果在睡眠期间被信号打断则返回ERESTARTSYS错误码.
5. 唤醒等待队列
内核中提供一些宏来唤醒响应的队列中的进程，这些宏的定义如下
wake_up()函数:

#define wake_up(x)          __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)/** * __wake_up - wake up threads blocked on a waitqueue. * @q: the waitqueue * @mode: which threads * @nr_exclusive: how many wake-one or wake-many threads to wake up * @key: is directly passed to the wakeup function */void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,            int nr_exclusive, void *key){    unsigned long flags;    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);    __wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, 0, key);    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);}EXPORT_SYMBOL(__wake_up);

唤醒等待队列.可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERUPTIBLE状态的进程,和wait_event/wait_event_timeout成对使用.

wake_up_interruptible()函数:

#define wake_up_interruptible(x)    __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

和wake_up()唯一的区别是它只能唤醒TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程.,与wait_event_interruptible/wait_event_interruptible_timeout/ wait_event_interruptible_exclusive成对使用.

#define wake_up_all(x)          __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)#define wake_up_interruptible_all(x)    __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)

这些也基本都和wake_up/wake_up_interruptible一样.

同步机制实验

同步机制设计