Linux设备驱动编程之阻塞与非阻塞

阻塞操作是指，在执行设备操作时，若不能获得资源，则进程挂起直到满足可操作的条件再进行操作。非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，并不挂起。被挂起的进程进入sleep状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。

　　在Linux

　　关于上述例程，我们补充说一点，如果将驱动程序中的read函数改为：

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//获取信号量：可能阻塞
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　//等待数据可获得：可能阻塞
　if (wait_event_interruptible(outq, flag != 0))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}
　flag = 0;

　//临界资源访问
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}

　//释放信号量
　up(&sem);

　return sizeof(int);
}

　　即交换wait_event_interruptible(outq, flag != 0)和down_interruptible(&sem)的顺序，这个驱动程序将变得不可运行。实际上，当两个可能要阻塞的事件同时出现时，即两个wait_event或down摆在一起的时候，将变得非常危险，死锁的可能性很大，这个时候我们要特别留意它们的出现顺序。当然，我们应该尽可能地避免这种情况的发生！

　　+还有一个与设备阻塞与非阻塞访问息息相关的论题，即select和poll，select和poll的本质一样，前者在BSD Unix中引入，后者在System V中引入。poll和select用于查询设备的状态，以便用户程序获知是否能对设备进行非阻塞的访问，它们都需要设备驱动程序中的poll函数支持。

　　驱动程序中poll函数中最主要用到的一个API是poll_wait，其原型如下：

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

　　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。下面我们给globalvar的驱动添加一个poll函数：

static unsigned int globalvar_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
　unsigned int mask = 0;

　poll_wait(filp, &outq, wait);

　//数据是否可获得？
　if (flag != 0)
　{
　　mask |= POLLIN | POLLRDNORM; //标示数据可获得
　}
　return mask;
}

　　需要说明的是，poll_wait函数并不阻塞，程序中poll_wait(filp, &outq, wait)这句话的意思并不是说一直等待outq信号量可获得，真正的阻塞动作是上层的select/poll函数中完成的。select/poll会在一个循环中对每个需要监听的设备调用它们自己的poll支持函数以使得当前进程被加入各个设备的等待列表。若当前没有任何被监听的设备就绪，则内核进行调度（调用schedule）让出cpu进入阻塞状态，schedule返回时将再次循环检测是否有操作可以进行，如此反复；否则，若有任意一个设备就绪，select/poll都立即返回。

　　我们编写一个用户态应用程序来测试改写后的驱动。程序中要用到BSD Unix中引入的select函数，其原型为：

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数据结构为：

struct timeval
{
　　int tv_sec; /* seconds */
　　int tv_usec; /* microseconds */
};

　　除此之外，我们还将使用下列API：

　　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。

　　下面的用户态测试程序等待/dev/globalvar可读，但是设置了5秒的等待超时，若超过5秒仍然没有数据可读，则输出"No data within 5 seconds"：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

main()
{
　int fd, num;
　fd_set rfds;
　struct timeval tv;

　fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
　if (fd != - 1)
　{
　　while (1)
　　{
　　　//查看globalvar是否有输入
　　　FD_ZERO(&rfds);
　　　FD_SET(fd, &rfds);
　　　//设置超时时间为5s
　　　tv.tv_sec = 5;
　　　tv.tv_usec = 0;
　　　select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);

　　　//数据是否可获得？
　　　if (FD_ISSET(fd, &rfds))
　　　{
　　　　read(fd, &num, sizeof(int));
　　　　printf("The globalvar is %d\n", num);

　　　　//输入为0，退出
　　　　if (num == 0)
　　　　{
　　　　　close(fd);
　　　　　break;
　　　　}
　　　}
　　　else
　　　　printf("No data within 5 seconds.\n");
　　}
　}
　else
　{
　　printf("device open failure\n");
　}
}

　　开两个终端，分别运行程序：一个对globalvar进行写，一个用上述程序对globalvar进行读。当我们在写终端给globalvar输入一个值后，读终端立即就能输出该值，当我们连续5秒没有输入时，"No data within 5 seconds"在读终端被输出，如下图：