Linux 设备驱动中的阻塞与非阻塞 I/O

阻塞操作是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程，直到满足可操作的条件后再进行操作。被挂起的进程进入休眠状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。而非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者放弃，或者不停地查询，直至可以进行操作为止。
阻塞从字面上听起来似乎意味着低效率，实则不然，如果设备驱动不阻塞，则用户想获取设备资源只能不停地查询，这反而会无谓地耗费 CPU 资源。而阻塞访问时，不能获取资源的进程将进入休眠，它将 CPU 资源让给其他进程。因为阻塞的进程会进入休眠状态，因此，必须确保有一个地方能够唤醒休眠的进程。唤醒进程的地方最大可能发生在中断里面，因为硬件资源获得的同时往往伴随着一个中断。
下面以两个实例演示阻塞和非阻塞的读取串口一个字符：

阻塞地读取串口一个字符

char buf;
fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR);
...
res = read(fd,&buf,1); //当串口上有输入时才返回
if(res==1) printf("%c\n", buf);

非阻塞地读取串口一个字符

char buf;
fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR| O_NONBLOCK);
...
while(read(fd,&buf,1)!=1); //串口上无输入也返回，所以要循环尝试读取串口
printf("%c\n", buf);

1、等待队列（阻塞）

在 Linux 驱动程序中，可以使用等待队列（wait queue）来实现阻塞进程的唤醒。wait queue 很早就作为一个基本的功能单位出现在 Linux 内核里了，它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中的异步事件通知机制。等待队列可以用来同步对系统资源的访问，信号量在内核中也依赖等待队列来实现。

定义等待队列头：wait_queue_head_t my_queue;
初始化等待队列头：init_waitqueue_head(&my_queue);
定义并初始化等待队列头：DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (name)
定义并初始化等待队列name：DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)
添加等待队列：void fastcall add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
移除等待队列：void fastcall remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
阻塞等待事件（condition）发生：

wait_event(queue, condition);
wait_event_interruptible(queue, condition);
wait_event_timeout(queue, condition, timeout);  //time以jiffy 为单位
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout);

唤醒队列：

void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

wake_up() 可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 的进程，而wake_up_interruptible()只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 的进程。

在等待队列上睡眠

sleep_on(wait_queue_head_t *q );
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q );

sleep_on()函数的作用就是将目前进程的状态置成 TASK_UNINTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列，之后把它附属到等待队列头 q，直到资源可获得，q 引导的等待队列被唤醒。interruptible_sleep_on()与 sleep_on()函数类似，区别是其将目前进程的状态置成TASK_ INTERRUPTIBLE。

改变进程状态：

set_current_state();
__add_wait_queue();
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE/TASK_RUNNING/TASK_INTERRUPTIBLE   //对进程状态直接赋值

set_current_state()函数在任何环境下都可以使用，不会存在并发问题，但是效率要低于__add_ wait_queue()。因此，在许多设备驱动中，并不调用 sleep_on()或 interruptible_sleep_on()，而是亲自进行进程的状态改变和切换。

以下为在驱动程序中改变进程状态并调用 schedule() 的实例：

static ssize_t xxx_write(struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{ ... DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); //定义等待队列_ _add_wait_queue(&xxx_wait, &wait); //添加等待队列ret = count; /* 等待设备缓冲区可写 */ do{ avail = device_writable(...); if (avail < 0) _ _set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);//改变进程状态if (avail < 0) { if (file->f_flags &O_NONBLOCK) //非阻塞{ if (!ret) ret = - EAGAIN; goto out; }schedule(); //调度其他进程执行if (signal_pending(current))//如果是因为信号唤醒{ if (!ret) ret = - ERESTARTSYS; goto out; } } }while (avail < 0); /* 写设备缓冲区 */ device_write(...) out: remove_wait_queue(&xxx_wait, &wait);//将等待队列移出等待队列头set_current_state(TASK_RUNNING);//设置进程状态为 TASK_RUNNINGreturn ret;
}

2、轮询操作（非阻塞）

使用非阻塞 I/O 的应用程序通常会使用 select()和 poll()系统调用查询是否可对设备进行无阻塞的访问。select()和 poll()系统调用最终会引发设备驱动中的 poll()函数被执行。

2.1 应用程序中的轮询编程

应用程序中最广泛用到的是 BSD UNIX 中引入的 select()系统调用，其原型如下：

int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

其中 readfds、writefds、exceptfds 分别是被 select()监视的读、写和异常处理的文件描述符集合，numfds 的值是需要检查的号码最高的文件描述符加 1。timeout 参数是一个指向 struct timeval 类型的指针，它可以使 select()在等待 timeout 时间后若没有文件描述符准备好则返回。struct timeval 数据结构的定义如下代码：

struct timeval
{ int tv_sec; /* 秒 */ int tv_usec; /* 微妙 */
};

FD_ZERO(fd_set *set)：清除一个文件描述符集。
FD_SET(int fd,fd_set *set)：将一个文件描述符加入文件描述符集中。
FD_CLR(int fd,fd_set *set) ：将一个文件描述符从文件描述符集中清除。
FD_ISSET(int fd,fd_set *set) ：判断文件描述符是否被置位。

2.2 驱动程序中的轮询编程

设备驱动中 poll()函数的原型如下：

unsigned int(*poll)(struct file * filp, struct poll_table* wait);

第一个参数为 file 结构体指针，第二个参数为轮询表指针。这个函数应该进行以下两项工作。

对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用 poll_wait()函数，将对应的等待队列头添加到poll_table。
返回表示是否能对设备进行无阻塞读、写访问的掩码。
关键的用于向 poll_table 注册等待队列的 poll_wait()函数的原型如下：

void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_heat_t *queue, poll_table * wait);

poll_wait()函数的名称非常容易让人误会它会阻塞地等待某事件的发生，但这个函数并不会引起阻塞。poll_wait()函数所做的工作是把当前进程添加到 wait 参数指定的等待列表（poll_table）中。
驱动程序 poll()函数应该返回设备资源的可获取状态，即 POLLIN、POLLOUT、POLLPRI、POLLERR、POLLNVAL 等宏的位“或”结果。每个宏的含义都表明设备的一种状态，如 POLLIN（定义为 0x0001）意味着设备可以无阻塞地读，POLLOUT（定义为 0x0004）意味着设备可以无阻塞地写。
通过以上分析，可得出设备驱动中 poll()函数的典型模板：

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{ unsigned int mask = 0; struct xxx_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/ ... poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);//加读等待队列头poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);//加写等待队列头 if (...)//可读{ mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /*标示数据可获得*/ } if (...)//可写{ mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; /*标示数据可写入*/ } ... return mask; }