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萧萧雨榭

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ruanbanyong1

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阻塞IO

分类： LINUX

2009-04-12 15:54:27

这一部分主要讨论：如果无法立即满足请求，该如何响应？（65865346）

一、休眠

进程被置为休眠，意味着它被标识为处于一个特殊的状态并且从调度器的运行队列中移走。这个进程将不被在任何 CPU 上调度，即将不会运行。 直到发生某些事情改变了那个状态。安全地进入休眠的两条规则：

（1） 永远不要在原子上下文中进入休眠，即当驱动在持有一个自旋锁、seqlock或者 RCU 锁时不能睡眠；关闭中断也不能睡眠。持有一个信号量时休眠是合法的，但你应当仔细查看代码：如果代码在持有一个信号量时睡眠，任何其他的等待这个信号量的线程也会休眠。因此发生在持有信号量时的休眠必须短暂，而且决不能阻塞那个将最终唤醒你的进程。

（2）当进程被唤醒，它并不知道休眠了多长时间以及休眠时发生什么；也不知道是否另有进程也在休眠等待同一事件，且那个进程可能在它之前醒来并获取了所等待的资源。所以不能对唤醒后的状态做任何的假设，并必须重新检查等待条件来确保正确的响应。

除非确信其他进程会在其他地方唤醒休眠的进程，否则也不能睡眠。使进程可被找到意味着：需要维护一个称为等待队列的 数据结构。它是一个进程链表，其中饱含了等待某个特定事件的所有进程。在 中， 一个等待队列由一个wait_queue_head_t 结构体来，其定义在中。wait_queue_head_t 类型的数据结构非常简单：

struct__wait_queue_head{
    spinlock_t lock;
    structlist_head task_list;
};
typedefstruct__wait_queue_head wait_queue_head_t;

它包含一个自旋锁和一个链表。这个链表是一个等待队列入口，它被声明做 wait_queue_t。wait_queue_head_t包含关于睡眠进程的信息和它想怎样被唤醒。

简单休眠（其实是高级休眠的宏）

Linux 中最简单的休眠方式是称为 wait_event的宏(及其变种)，它实现了休眠和进程等待的条件的检查。形式如下:

wait_event(queue,condition)/*不可中断休眠,不推荐*/
wait_event_interruptible(queue,condition)/*推荐，返回非零值意味着休眠被中断,且驱动应返回 -ERESTARTSYS*/
wait_event_timeout(queue,condition,timeout)
wait_event_interruptible_timeout(queue,condition,timeout)
/*有限的时间的休眠；若超时，则不管条件为何值返回0，*/

唤醒休眠进程的函数称为 wake_up，形式如下：

voidwake_up(wait_queue_head_t*queue);
voidwake_up_interruptible(wait_queue_head_t*queue);

惯例：用 wake_up 唤醒 wait_event ；用 wake_up_interruptible 唤醒wait_event_interruptible。

简单休眠实验
 模块程序链接：sleepy
模块测试程序链接：sleepy－test

实验现象：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd/lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod sleepy.ko
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd/dev/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat/proc/devices
Character devices:
  1 mem
  2 pty
  3 ttyp
  4/dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5/dev/tty
  5/dev/console
  5/dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 14 sound
 81 video4linux
 89 i2c
 90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 sleepy
253 usb_endpoint
254 rtc

Block devices:
  1 ramdisk
256 rfd
  7 loop
 31 mtdblock
 93 nftl
 96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod-m 666 sleepy c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd/tmp/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./sleepy_testr&
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./sleepy_testr&
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
  PID Uid VSZ Stat Command
    1 root 1744 S init
    2 root SW<[kthreadd]
    3 root SWN[ksoftirqd/0]
    4 root SW<[watchdog/0]
    5 root SW<[events/0]
    6 root SW<[khelper]
   59 root SW<[kblockd/0]
   60 root SW<[ksuspend_usbd]
   63 root SW<[khubd]
   65 root SW<[kseriod]
   77 root SW[pdflush]
   78 root SW[pdflush]
   79 root SW<[kswapd0]
   80 root SW<[aio/0]
  707 root SW<[mtdblockd]
  708 root SW<[nftld]
  709 root SW<[inftld]
  710 root SW<[rfdd]
  742 root SW<[kpsmoused]
  751 root SW<[kmmcd]
  769 root SW<[rpciod/0]
  778 root 1752 S-sh
  779 root 1744 S init
  781 root 1744 S init
  783 root 1744 S init
  787 root 1744 S init
  799 root 1336 S ./sleepy_testr
  800 root 1336 S ./sleepy_testr
  802 root 1744 R ps
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./sleepy_testw
readcode=0
writecode=0
[2]+Done./sleepy_testr
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
  PID Uid VSZ Stat Command
    1 root 1744 S init
    2 root SW<[kthreadd]
    3 root SWN[ksoftirqd/0]
    4 root SW<[watchdog/0]
    5 root SW<[events/0]
    6 root SW<[khelper]
   59 root SW<[kblockd/0]
   60 root SW<[ksuspend_usbd]
   63 root SW<[khubd]
   65 root SW<[kseriod]
   77 root SW[pdflush]
   78 root SW[pdflush]
   79 root SW<[kswapd0]
   80 root SW<[aio/0]
  707 root SW<[mtdblockd]
  708 root SW<[nftld]
  709 root SW<[inftld]
  710 root SW<[rfdd]
  742 root SW<[kpsmoused]
  751 root SW<[kmmcd]
  769 root SW<[rpciod/0]
  778 root 1752 S-sh
  779 root 1744 S init
  781 root 1744 S init
  783 root 1744 S init
  787 root 1744 S init
  799 root 1336 S ./sleepy_testr
  804 root 1744 R ps
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./sleepy_testw
writecode=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#readcode=0

[1]+Done./sleepy_testr
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
  PID Uid VSZ Stat Command
    1 root 1744 S init
    2 root SW<[kthreadd]
    3 root SWN[ksoftirqd/0]
    4 root SW<[watchdog/0]
    5 root SW<[events/0]
    6 root SW<[khelper]
   59 root SW<[kblockd/0]
   60 root SW<[ksuspend_usbd]
   63 root SW<[khubd]
   65 root SW<[kseriod]
   77 root SW[pdflush]
   78 root SW[pdflush]
   79 root SW<[kswapd0]
   80 root SW<[aio/0]
  707 root SW<[mtdblockd]
  708 root SW<[nftld]
  709 root SW<[inftld]
  710 root SW<[rfdd]
  742 root SW<[kpsmoused]
  751 root SW<[kmmcd]
  769 root SW<[rpciod/0]
  778 root 1752 S-sh
  779 root 1744 S init
  781 root 1744 S init
  783 root 1744 S init
  787 root 1744 S init
  806 root 1744 R ps


阻塞和非阻塞操作

全功能的 read 和 write 方法涉及到进程可以决定是进行非阻塞 I/O还是阻塞 I/O操作。明确的非阻塞 I/O 由 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 标志来指示（定义再，被自动包含）。浏览源码，会发现O_NONBLOCK 的另一个名字：O_NDELAY ，这是为了兼容 System V 代码。O_NONBLOCK 标志缺省地被清除，因为等待数据的进程的正常行为只是睡眠.

其实不一定只有read 和 write 方法有阻塞操作，open也可以有阻塞操作。后面会见到。而我的项目有一个和CPLD的接口的驱动，我决定要在ioctl 中使用阻塞。

以下是后面的scullpipe实验的有关阻塞的代码，我觉得写得很好，先结合书上的介绍看看吧：

while(dev->rp==dev->wp)     {/* nothing to read */
     up(&dev->sem);/* release the lock */
    if(filp->f_flags&O_NONBLOCK)
         return-EAGAIN;
     PDEBUG("\"%s\" reading: going to sleep\n",current->comm);
     if(wait_event_interruptible(dev->inq,(dev->rp!=dev->wp)))
       return-ERESTARTSYS;/* signal: tell the fs layer to handle it *//* otherwise loop, but first reacquire the lock */
     if(down_interruptible(&dev->sem))
        return-ERESTARTSYS;

}        /* ok, data is there, return something */
......

高级休眠

步骤：

（1）分配和初始化一个 wait_queue_t 结构， 随后将其添加到正确的等待队列。

（2）进程状态，标记为休眠。在 中定义有几个任务状态：TASK_RUNNING 意思是进程能够运行。有 2 个状态指示一个进程是在睡眠: TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNTINTERRUPTIBLE。2.6 内核的驱动代码通常不需要直接操作进程状态。但如果需要这样做使用的代码是:

voidset_current_state(intnew_state);

在老的代码中, 你常常见到如此的东西:current->state = TASK_INTERRUPTIBLE; 但是象这样直接改变 current 是不推荐的，当数据结构改变时这样的代码将会失效。通过改变 current 状态，只改变了调度器对待进程的方式，但进程还未让出处理器。

（3） 最后一步是放弃处理器。但必须先检查进入休眠的条件。如果不做检查会引入竞态： 如果在忙于上面的这个过程时有其他的线程刚刚试图唤醒你，你可能错过唤醒且长时间休眠。因此典型的代码下:

if(!condition)
    schedule();

如果代码只是从 schedule 返回，则进程处于TASK_RUNNING 状态。 如果不需睡眠而跳过对 schedule 的调用，必须将任务状态重置为 TASK_RUNNING，还必要从等待队列中去除这个进程，否则它可能被多次唤醒。

手工休眠

/*（1）创建和初始化一个等待队列。常由宏定义完成:*/
DEFINE_WAIT(my_wait);
/*name 是等待队列入口项的名字. 也可以用2步来做:*/
wait_queue_t my_wait;
init_wait(&my_wait);
/*常用的做法是放一个 DEFINE_WAIT 在循环的顶部，来实现休眠。*/


/*（2）添加等待队列入口到队列，并设置进程状态:*/
voidprepare_to_wait(wait_queue_head_t*queue,wait_queue_t*wait,intstate);
/*queue 和 wait 分别地是等待队列头和进程入口。state 是进程的新状态：TASK_INTERRUPTIBLE(可中断休眠，推荐)或TASK_UNINTERRUPTIBLE(不可中断休眠，不推荐)。*/

/*（3）在检查确认仍然需要休眠之后调用 schedule*/

schedule();

/*（4）schedule 返回，就到了清理时间:*/
voidfinish_wait(wait_queue_head_t*queue,wait_queue_t*wait);

认真地看简单休眠中的wait_event(queue,condition)和wait_event_interruptible(queue,condition)底层源码会发现，其实他们只是手工休眠中的函数的组合。所以怕麻烦的话还是用wait_event比较好。

独占等待

当一个进程调用 wake_up 在等待队列上，所有的在这个队列上等待的进程被置为可运行的。 这在许多情况下是正确的做法。但有时，可能只有一个被唤醒的进程将成功获得需要的资源，而其余的将再次休眠。这时如果等待队列中的进程数目大，这可能严重 降低系统性能。为此，内核者增加了一个“独占等待”选项。它与一个正常的睡眠有 2 个重要的不同:

（1）当等待队列入口设置了 WQ_FLAG_EXCLUSEVE 标志，它被添加到等待队列的尾部；否则，添加到头部。

（2）当 wake_up 被在一个等待队列上调用, 它在唤醒第一个有 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 标志的进程后停止唤醒.但内核仍然每次唤醒所有的非独占等待。

采用独占等待要满足 2 个条件:

（1）希望对资源进行有效竞争；

（2）当资源可用时，唤醒一个进程就足够来完全消耗资源。

使一个进程进入独占等待，可调用：

voidprepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t*queue,wait_queue_t*wait,intstate);

 

注意：无法使用 wait_event 和它的变体来进行独占等待.

唤醒的相关函数

很少会需要调用wake_up_interruptible 之外的唤醒函数，但为完整起见，这里是整个集合：

wake_up(wait_queue_head_t*queue);
wake_up_interruptible(wait_queue_head_t*queue);
/*wake_up 唤醒队列中的每个非独占等待进程和一个独占等待进程。wake_up_interruptible 同样, 除了它跳过处于不可中断休眠的进程。它们在返回之前, 使一个或多个进程被唤醒、被调度(如果它们被从一个原子上下文调用, 这就不会发生).*/

wake_up_nr(wait_queue_head_t*queue,intnr);
wake_up_interruptible_nr(wait_queue_head_t*queue,intnr);
/*这些函数类似 wake_up, 除了它们能够唤醒多达nr 个独占等待者, 而不只是一个. 注意传递 0 被解释为请求所有的互斥等待者都被唤醒*/
wake_up_all(wait_queue_head_t*queue);
wake_up_interruptible_all(wait_queue_head_t*queue);
/*这种 wake_up 唤醒所有的进程, 不管它们是否进行独占等待(可中断的类型仍然跳过在做不可中断等待的进程)*/
wake_up_interruptible_sync(wait_queue_head_t*queue);
/* 一个被唤醒的进程可能抢占当前进程, 并且在 wake_up 返回之前被调度到处理器。 但是, 如果你需要不要被调度出处理器时，可以使用 wake_up_interruptible 的"同步"变体. 这个函数最常用在调用者首先要完成剩下的少量工作，且不希望被调度出处理器时。*/

poll 和 select

当程序需要进行对多文件读写时，若某个文件没有准备好，则系统会处于读写阻塞的状态，并影响了其他文件的读写。为了避免这种情况，在必须使用多 输入输出流又不想阻塞在它们任何一个上的应用程序常将非阻塞 I/O 和 poll（System V）、select（BSD Unix）、 epoll(linux2.5.45开始)系统调用配合使用。当poll函数返回时，会给出一个文件是否可读写的标志，应用程序根据不同的标志读写相应的 文件，实现非阻塞的读写。这些系统调用功能相同: 允许进程来决定它是否可读或写一个或多个文件而不阻塞。这些调用也可阻塞进程直到任何一个给定集合的文件描述符可用来读或写。这些调用都需要来自驱动 中poll 方法的支持，poll返回不同的标志，告诉主进程文件是否可以读写，其原型（定义在）:

unsignedint(*poll)(structfile*filp,poll_table*wait);

实现这个设备方法分两步:

1. 在一个或多个可指示查询状态变化的等待队列上调用 poll_wait. 如果没有文件描述符可用来执行 I/O, 内核使这个进程在等待队列上等待所有的传递给系统调用的文件描述符. 驱动通过调用函数 poll_wait增加一个等待队列到 poll_table 结构，原型:

voidpoll_wait(structfile*,wait_queue_head_t*,poll_table*);

2. 返回一个位掩码：描述可能不必阻塞就立刻进行的操作，几个标志(通过 定义)用来指示可能的操作:

 标志

 含义

 POLLIN

 如果设备无阻塞的读，就返回该值

 POLLRDNORM

 通常的数据已经准备好，可以读了，就返回该值。通常的做法是会返回（POLLLIN|POLLRDNORA）

 POLLRDBAND

 如果可以从设备读出带外数据，就返回该值，它只可在linux内核的某些代码中使用，通常不用在设备驱动程序中

 POLLPRI

 如果可以无阻塞的读取高优先级（带外）数据，就返回该值，返回该值会导致select报告文件发生异常，以为select八带外数据当作异常处理

 POLLHUP

 当读设备的进程到达文件尾时，驱动程序必须返回该值，依照select的功能描述，调用select的进程被告知进程时可读的。

 POLLERR

 如果设备发生错误，就返回该值。

 POLLOUT

 如果设备可以无阻塞地些，就返回该值

 POLLWRNORM

 设备已经准备好，可以写了，就返回该值。通常地做法是（POLLOUT|POLLNORM）

 POLLWRBAND

 于POLLRDBAND类似

考虑 poll 方法的 scullpipe 实现:

staticunsignedintscull_p_poll(structfile*filp,poll_table*wait)
{
        structscull_pipe*dev=filp->private_data;
        unsignedintmask=0;
        /*
        * The buffer is circular; it is considered full
        * if "wp" is right behind "rp" and empty if the
        * two are equal.
        */
        down(&dev->sem);
        poll_wait(filp,&dev->inq,wait);
        poll_wait(filp,&dev->outq,wait);
        if(dev->rp!=dev->wp)
                mask|=POLLIN|POLLRDNORM;/* readable */
        if(spacefree(dev))
                mask|=POLLOUT|POLLWRNORM;/* writable */
        up(&dev->sem);
        returnmask;
}

与read 和write 的交互

正确实现poll调用的规则:

从设备读取数据：

（1）如果在输入缓冲中有数据，read 调用应当立刻返回，即便数据少于应用程序要求的，并确保其他的数据会很快到达。 如果方便，可一直返回小于请求的数据，但至少返回一个字节。在这个情况下，poll 应当返回 POLLIN|POLLRDNORM。

（2）如果在输入缓冲中无数据，read默认必须阻塞直到有一个字节。若O_NONBLOCK 被置位，read 立刻返回 -EAGIN 。在这个情况下，poll 必须报告这个设备是不可读（清零POLLIN|POLLRDNORM）的直到至少一个字节到达。

（3）若处于文件尾，不管是否阻塞，read 应当立刻返回0，且poll 应该返回POLLHUP。

向设备写数据

（1）若输出缓冲有空间，write 应立即返回。它可接受小于调用所请求的数据，但至少必须接受一个字节。在这个情况下，poll应返回 POLLOUT|POLLWRNORM。

（2）若输出缓冲是满的，write默认阻塞直到一些空间被释放。若 O_NOBLOCK 被设置，write 立刻返回一个 -EAGAIN。在这些情况下, poll 应当报告文件是不可写的（清零POLLOUT|POLLWRNORM）. 若设备不能接受任何多余数据， 不管是否设置了 O_NONBLOCK，write 应返回 -ENOSPC("设备上没有空间")。

（3）永远不要让write在返回前等待数据的传输结束，即使O_NONBLOCK 被清除。若程序想保证它加入到输出缓冲中的数据被真正传送, 驱动必须提供一个 fsync 方法。

刷新待处理输出
若一些应用程序需要确保数据被发送到设备，就实现必须fsync 方法。对 fsync 的调用只在设备被完全刷新时(即输出缓冲为空)才返回，不管 O_NONBLOCK 是否被设置，即便这需要一些时间。其原型是:

int(*fsync)(structfile*file,structdentry*dentry,intdatasync);

底层数据结构

只要应用程序调用 poll、select、或epoll_ctl，内核就会调用这个系统调用所引用的所有文件的 poll 方法，并向他们传递同一个poll_table。 poll_table 结构只是构成实际数据结构的简单封装：

structpoll_table_struct;
/*
 * structures and helpers for f_op->poll implementations
 */
typedefvoid(*poll_queue_proc)(structfile*,wait_queue_head_t*,structpoll_table_struct*);

typedefstructpoll_table_struct{
    poll_queue_proc qproc;
}poll_table;

对于 poll和 select系统调用，poll_table 是一个包含 poll_table_entry 结构内存页链表。

structpoll_table_entry{
    structfile*filp;
    wait_queue_t wait;
    wait_queue_head_t*wait_address;
};

对 poll_wait 的调用有时还会将进程添加到给定的等待队列。整个的结构必须由内核维护，在 poll 或者 select 返回前，进程可从所有的队列中去除, .

如果被轮询的驱动没有一个驱动程序指明可进行非阻塞I/O，poll 调用会简单地睡眠，直到一个它所在的等待队列(可能许多)唤醒它.

当 poll 调用完成，poll_table 结构被重新分配, 所有的之前加入到 poll 表的等待队列入口都会从表和它们的等待队列中移出.

structpoll_wqueues{
    poll_table pt;
    structpoll_table_page*table;
    interror;
    intinline_index;
    structpoll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];
};

structpoll_table_page{
    structpoll_table_page*next;
    structpoll_table_entry*entry;
    structpoll_table_entry entries[0];
};

poll 背后的数据结构

 

 

异步通知

 

通过使用异步通知，应用程序可以在数据可用时收到一个信号，而无需不停地轮询。

启用步骤：

（1）它们指定一个进程作为文件的拥有者：使用 fcntl 系统调用发出 F_SETOWN ，这个拥有者进程的 ID 被保存在 filp->f_owner。目的：让内核知道信
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