Linux设备驱动中的阻塞和非阻塞IO

这篇文章我们来了解下Linux设备驱动中阻塞和非阻塞。

阻塞：阻塞是指执行设备操作时，如果不能获得设备资源，则挂起进程，是进程进入休眠模式，直到设备资源可以获取。

非阻塞：非阻塞是在不能获取设备资源时，要么放弃获取，要么一直不停的查询，直到可以获取资源。

这两种操作能够为为应用程序提供这样的能力：

（1）当应用程序对设备资源进行read(), write()操作时，如果设备资源不能获取，用户以阻塞的方式进行访问，则驱动程序在设备驱动的xxx_read()， xxx_write()等操作中将进程阻塞直到资源可以获取，之后应用程序的read(), write()的调用才能返回。

（2）如果应用程序进行上述操作时，用户以非阻塞的方式进行访问时，设备资源不能获取时，设备驱动的xxx_read()，xxx_write()等操作立即返回，应用程序的read（），write()等系统调用立即返回，应用程序受到－ＥＡＧＡＩＮ　返回值。

下面这幅图是Linux开发详解中的图，可以加深理解。

使用例子：

fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR); 阻塞的形式；

fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR| O_NONBLOCK); 非阻塞的形式；

那么在Linux驱动程序中，是如何实现阻塞进程的唤醒呢？下面有几种方法使用：

（1）等待队列 ( wait queue)，等待队列是以队列为基础数据结构实现的。

1）使用方法：

首先定义等待队列的头部： wait_queue_head_t my_queue;

初始化等待队列的头部：init_waitqueue_head(&my_queue); DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD() 宏是定义并初始化等待队列头部的快捷方式。

定义等待队列元素：DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) ，该宏用于定义并初始化一个名为name的等待队列元素。

添加/移除等待队列：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（）用于将等待队列元素wait添加到等待队列头部q指向的双向链表中。remove 函数执行移除操作。

等待事件：

wait_event(queue, condition); 等待第一个参数queue作为等待队列头部的队列被唤醒，而且第二个参数condition必须满足，否则继续阻塞。
wait_event_interruptible(queue, condition)；可被信号中断
wait_event_timeout(queue, condition, timeout) 加了等待超时时间，超时时间到不论condition是否满足均返回。
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);

唤醒以queue作为等待队列头部的队列中所有的进程。

在等待队列上睡眠:

sleep_on(wait_queue_head_t *q ); 将目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列元素，之后把它挂到等待队列头部q指向的双向链表，直到资源可获得，q队列指向链接的进程被唤醒。
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q );目前进程的状态置成TASK_INTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列
元素，之后把它附属到q指向的队列，直到资源可获得（q指引的等待队列被唤醒）或者进程收到信号。

有了前面的基本概念知识后，我们通过这段书上的代码来理解：

static ssize_t xxx_write(struct file *file, const char *buffer, size_t count,loff_t *ppos)
{DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); /* 定义等待队列元素 */add_wait_queue(&xxx_wait, &wait); /* 添加元素到等待队列 *//* 等待设备缓冲区可写 */do {avail = device_writable(...);if (avail < 0) {if (file->f_flags &O_NONBLOCK) { /* 非阻塞 */ret = -EAGAIN;goto out;}__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* 改变进程状态 */schedule(); /* 调度其他进程执行 */if (signal_pending(current)) { /* 如果是因为信号唤醒 */ret = -ERESTARTSYS;goto out;}} while (avail < 0);/* 写设备缓冲区 */device_write(...)；out:remove_wait_queue(&xxx_wait, &wait); /* 将元素移出 xxx_wait 指引的队列 */set_current_state(TASK_RUNNING); /* 设置进程状态为 TASK_RUNNING */return ret;
}

1）如果是非阻塞访问（O_NONBLOCK被设置），设备忙时，直接返回“-EAGAIN”。
2）对于阻塞访问，会调用__set_current_state（TASK_INTERRUPTIBLE）进行进程状态切换并显示通过“schedule（）”调度其他进程执行。
3）醒来的时候要注意，由于调度出去的时候，进程状态是TASK_INTERRUPTIBLE，即浅度睡眠，所以唤醒它的有可能是信号，因此，我们首先通过signal_pending（current）了解是不是信号唤醒的，如果是，立即返回“-ERESTARTSYS”。
非阻塞的实现有： select() 和poll() 。

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