linux设备驱动程序中的阻塞机制

阻塞与非阻塞是设备访问的两种方式。在写阻塞与非阻塞的驱动程序时，经常用到等待队列。

一、阻塞与非阻塞
　　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。
　　非阻塞指不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前进程，而会立刻返回。
　　对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用的函数也可以进入阻塞调用。函数select()就是这样一个例子。

二、等待队列
　　在linux设备驱动程序中，阻塞进程可以使用等待队列来实现。
　　在内核中，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理，进程同步，定时等场合，可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。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，同步对系统资源的访问。

1、等待队列的实现：

　　在linux中，等待队列的结构如下：

struct __wait_queue_head {spinlock_t lock; //自旋锁，用来对task_list链表起保护作用，实现了对等待队列的互斥访问struct list_head task_list; //用来存放等待的进程};typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

2、等待队列的使用
（1）定义和初始化等待队列：

wait_queue_head_t wait；//定义等待队列init_waitqueue_head(&wait);//初始化等待队列定义并初始化等待队列：#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

（2）添加或移除等待队列：

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)；//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。void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

（3）等待事件：

wait_event(wq, condition)；//在等待队列中睡眠直到condition为真。wait_event_timeout(wq, condition, timeout)；wait_event_interruptible(wq, condition) ；wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) ；/* *　　queue:作为等待队列头的等待队列被唤醒*    conditon：必须满足，否则阻塞*    timeout和conditon相比，有更高优先级*/

（4）睡眠：

sleep_on(wait_queue_head_t *q);interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);/*sleep_on作用是把目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE,直到资源可用，q引导的等待队列被唤醒。interruptible_sleep_on作用是一样的， 只不过它把进程状态置为TASK_INTERRUPTIBLE*/

（5）唤醒等待队列：

//可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程；#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)//只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)

三、操作系统中睡眠、阻塞、挂起的区别形象解释

　　首先这些术语都是对于线程来说的。对线程的控制就好比你控制了一个雇工为你干活。你对雇工的控制是通过编程来实现的。
　　挂起线程的意思就是你对主动对雇工说：“你睡觉去吧，用着你的时候我主动去叫你，然后接着干活”。
　　使线程睡眠的意思就是你主动对雇工说：“你睡觉去吧，某时某刻过来报到，然后接着干活”。
　　线程阻塞的意思就是，你突然发现，你的雇工不知道在什么时候没经过你允许，自己睡觉呢，但是你不能怪雇工，肯定你这个雇主没注意，本来你让雇工扫地，结果扫帚被偷了或被邻居家借去了，你又没让雇工继续干别的活，他就只好睡觉了。至于扫帚回来后，雇工会不会知道，会不会继续干活，你不用担心，雇工一旦发现扫帚回来了，他就会自己去干活的。因为雇工受过良好的培训。这个培训机构就是操作系统。

四、阻塞与非阻塞操作

　　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在进行操作。
　　非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者被放弃，或者不停的查询，直到可以进行操作为止。

　　回顾简单字符设备驱动, 我们看到如何实现 read 和 write 方法. 在此, 但是, 我们跳过了一个重要的问题:一个驱动当它无法立刻满足请求应当如何响应? 一个对 read 的调用可能当没有数据时到来, 而以后会期待更多的数据. 或者一个进程可能试图写, 但是你的设备没有准备好接受数据, 因为你的输出缓冲满了. 调用进程往往不关心这种问题; 程序员只希望调用 read 或 write 并且使调用返回, 在必要的工作已完成后. 这样, 在这样的情形中, 你的驱动应当(缺省地)阻塞进程, 使它进入睡眠直到请求可继续。
　　

　　在我们看全功能的 read 和 write 方法的实现之前, 我们触及的最后一点是决定何时使进程睡眠.
　　（1）阻塞型驱动中，read实现方式：如果一个进程调用 read 但是没有数据可用, 这个进程必须阻塞. 这个进程在有数据达到时被立刻唤醒, 并且那个数据被返回给调用者, 即便小于在给方法的 count 参数中请求的数量.
　　（2）阻塞型驱动中，write实现方式：如果一个进程调用 write 并且在缓冲中没有空间, 这个进程必须阻塞, 并且它必须在一个与用作 read 的不同的等待队列中. 当一些数据被写入硬件设备, 并且在输出缓冲中的空间变空闲, 这个进程被唤醒并且写调用成功, 尽管数据可能只被部分写入如果在缓冲只没有空间给被请求的 count 字节.
　　（3）有时要求一个操作不阻塞, 即便它不能完全地进行下去.应用程序元可以调用 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 标志来人为的设置读写操作为非阻塞方式. 这个标志定义于 <linux/fcntl.h>, 被 <linux/fs.h>自动包含.

五、阻塞型驱动测试程序：

1.memdev.h

#ifndef _MEMDEV_H_#define _MEMDEV_H_#ifndef MEMDEV_MAJOR#define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/#endif#ifndef MEMDEV_NR_DEVS#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/#endif#ifndef MEMDEV_SIZE#define MEMDEV_SIZE 4096#endif

/*mem设备描述结构体*/struct mem_dev                                     {                                                          char *data;                        unsigned long size;   wait_queue_head_t inq;      };#endif /* _MEMDEV_H_ */

2.memdev.c

#include <linux/module.h>#include <linux/types.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/errno.h>#include <linux/mm.h>#include <linux/sched.h>#include <linux/init.h>#include <linux/cdev.h>#include <asm/io.h>#include <asm/system.h>#include <asm/uaccess.h>#include "memdev.h"

static mem_major = MEMDEV_MAJOR;bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/module_param(mem_major, int, S_IRUGO);struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/struct cdev cdev; /*文件打开函数*/int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp){    struct mem_dev *dev;        /*获取次设备号*/    int num = MINOR(inode->i_rdev);    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)             return -ENODEV;    dev = &mem_devp[num];        /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/    filp->private_data = dev;        return 0; }/*文件释放函数*/int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp){  return 0;}/*读函数*/static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){  unsigned long p =  *ppos;  unsigned int count = size;  int ret = 0;  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/  /*判断读位置是否有效*/  if (p >= MEMDEV_SIZE)    return 0;  if (count > MEMDEV_SIZE - p)    count = MEMDEV_SIZE - p;    while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while,中断信号唤醒 */{        if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)            return -EAGAIN;        wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);}  /*读数据到用户空间*/  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))  {    ret =  - EFAULT;  }  else  {    *ppos += count;    ret = count;       printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);  }    have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */  return ret;}/*写函数*/static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){  unsigned long p =  *ppos;  unsigned int count = size;  int ret = 0;  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/    /*分析和获取有效的写长度*/  if (p >= MEMDEV_SIZE)    return 0;  if (count > MEMDEV_SIZE - p)    count = MEMDEV_SIZE - p;      /*从用户空间写入数据*/  if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))    ret =  - EFAULT;  else  {    *ppos += count;    ret = count;        printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);  }    have_data = true; /* 有新的数据可读 */        /* 唤醒读进程 */    wake_up(&(dev->inq));  return ret;}/* seek文件定位函数 */static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence){     loff_t newpos;    switch(whence) {      case 0: /* SEEK_SET */        newpos = offset;        break;      case 1: /* SEEK_CUR */        newpos = filp->f_pos + offset;        break;      case 2: /* SEEK_END */        newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;        break;      default: /* can't happen */        return -EINVAL;    }    if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))        return -EINVAL;            filp->f_pos = newpos;    return newpos;}/*文件操作结构体*/static const struct file_operations mem_fops ={  .owner = THIS_MODULE,  .llseek = mem_llseek,  .read = mem_read,  .write = mem_write,  .open = mem_open,  .release = mem_release,};/*设备驱动模块加载函数*/static int memdev_init(void){  int result;  int i;  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);  /* 静态申请设备号*/  if (mem_major)    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");  else  /* 动态分配设备号 */  {    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");    mem_major = MAJOR(devno);  }      if (result < 0)    return result;  /*初始化cdev结构*/  cdev_init(&cdev, &mem_fops);  cdev.owner = THIS_MODULE;  cdev.ops = &mem_fops;    /* 注册字符设备 */  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);     /* 为设备描述结构分配内存*/  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);  if (!mem_devp)    /*申请失败*/  {    result =  - ENOMEM;    goto fail_malloc;  }  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));    /*为设备分配内存*/  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)   {        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);        /*初始化等待队列*/     init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));  }     return 0;  fail_malloc:   unregister_chrdev_region(devno, 1);    return result;}/*模块卸载函数*/static void memdev_exit(void){  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/}MODULE_AUTHOR("David Xie");MODULE_LICENSE("GPL");module_init(memdev_init);module_exit(memdev_exit);

3.app-write.c

#include <stdio.h>int main(){    FILE *fp = NULL;    char Buf[128];            /*打开设备文件*/    fp = fopen("/dev/memdev0","r+");    if (fp == NULL)    {        printf("Open Dev memdev0 Error!\n");        return -1;    }        /*写入设备*/    strcpy(Buf,"memdev is char dev!");    printf("Write BUF: %s\n",Buf);    fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);        sleep(5);    fclose(fp);        return 0;    }

4.app-read.c

#include <stdio.h>int main(){    FILE *fp = NULL;    char Buf[128];        /*初始化Buf*/    strcpy(Buf,"memdev is char dev!");    printf("BUF: %s\n",Buf);        /*打开设备文件*/    fp = fopen("/dev/memdev0","r+");    if (fp == NULL)    {        printf("Open memdev0 Error!\n");        return -1;    }        /*清除Buf*/    strcpy(Buf,"Buf is NULL!");    printf("Read BUF1: %s\n",Buf);        /*读出数据*/    fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);        /*检测结果*/    printf("Read BUF2: %s\n",Buf);        fclose(fp);        return 0;    }

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