轮询函数 select函数调用驱动层poll的使用方法

转自：

 

http://blogold.chinaunix.net/u2/73521/showart_1110536.html

（注：一下博文中的一些函数是在2.6低版本中才有的，如果你的内核是2.6.30版本的话，这些函数就没有了，他们是使用其他的方法来实现的，我用的2.6.18版本中就有这些函数）

 

轮询函数

轮询的概念和作用

使用非阻塞I/O的应用程序通常会使用select()和poll()，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。

Select()和poll()系统调用最终会引发设备驱动设备中的poll()函数被执行。poll()函数为最终执行体）

Linux下select调用的过程:

1.用户层应用程序调用select(),底层调用poll())

2.核心层调用sys_select() --> do_select()

最终调用文件描述符fd对应的struct file类型变量的struct file_operations *f_op的poll函数。

 

当然2.25.45中还引入了epoll()，即拓展的poll();

select()和poll()系统调用的本质一样，前者在BSD UNIX中引入的，后者在System V

中引入的。

1、首先说什么是文件描述符，它有什么作用？

文件描述符是一个简单的整数，用以标明每一个被进程所打开的文件和socket。第一个打开的文件是0，第二个是

1，依此类推。Unix 操作系统通常给每个进程能打开的文件数量强加一个限制。更甚的是，unix 通常有一个系统

级的限制。

 

大多数情况下，1024 个文件描述符足够了。非常忙的cache可能需要4096或更多。当然，你可以自己配置文件描述

符限制，在配置文件描述符限制时，我推荐设置系统级限制的数量为每个进程限制的2 倍。

 

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 *readfme,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

select的第一个参数是文件描述符集中要被检测的数目，这个值必须至少比待检测的最大文件描述符大1；参数readfds

指定了被读监控的文件描述符集；参数writefds指定了被写监控的文件描述符集；而参数exceptfds指定了被例外

条件监控的文件描述符集。

 

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：

struct timeval

{

int tv_sec;//表示几秒

int tv_usec;//表示几微秒

};

timeout取不同的值，该调用就表现不同的性质：

1．timeout为0，调用立即返回；

2．timeout为NULL，select()调用就阻塞，直到知道有文件描述符就绪；(当有文件描述符就绪时，会向这个函数

发送信号，以唤醒此函数。)

3．timeout为正整数，就是一般的定时器。

select的返回值有如下情况：

1．正常情况下返回就绪的文件描述符个数；

2．经过了timeout时长后仍无设备准备好，返回值为0；

3．如果select被某个信号中断，它将返回-1并设置errno为EINTR。

4．如果出错，返回-1并设置相应的errno。

 

select()函数的 接口主要是建立在一种叫“fd_set”类型的基础上。这个类型是一组文件描述符（fd）的集合。

因为fd_set类型的长度在不同平台上不同，因此应该用一组标准的宏定义来处理这个类变量：

首先我们来了解fd_set这个结构的定义

#define FD_ZERO(fdsetp) __FD_ZERO(fdsetp)

（注意了，下面定义的常量是很有用的，因为在了解fd_set这个结构中会使用到，当然，这些值并不是规定死的，

在不同的程序中有不同的值，不过这些值只是取少数的几个规定值）

#define __FDSET_LONGS   (__FD_SETSIZE/__NFDBITS)//计算得到的值为32

#define __FD_SETSIZE    1024

 

#define __NFDBITS       (8 * sizeof(unsigned long))  //8*4=32

 

typedef struct {

  37        unsigned long fds_bits [__FDSET_LONGS];

  38} __kernel_fd_set;

 

typedef __kernel_fd_set         fd_set;

 

以上就是对文件描述符集fd_set的定义，如果你能够有下图，那么我想，你更高兴地去学习文件描述符：

 

 

 

下面操作用来设置、清除、判断文件描述符集合。

FD_ZERO(fd_set *set);//将文件描述符集fd_set中的值置0，如此以来对应所有位都被设置为0;

下面是对此函数的具体操作：

 

static __inline__ void __FD_ZERO(__kernel_fd_set *p)

  88{

  89        unsigned long *tmp = p->fds_bits;

  90        int i;

  91

  92        if (__builtin_constant_p(__FDSET_LONGS)) {

  93                switch (__FDSET_LONGS) {//__FDSET_LONGS的取值由系统决定

  94                      case 16:   （注：这个地方并没有使用循环管，直接赋值，这样虽然不方便，当时很快）

  95                        tmp[ 0] = 0; tmp[ 1] = 0; tmp[ 2] = 0; tmp[ 3] = 0;

  96                        tmp[ 4] = 0; tmp[ 5] = 0; tmp[ 6] = 0; tmp[ 7] = 0;

  97                        tmp[ 8] = 0; tmp[ 9] = 0; tmp[10] = 0; tmp[11] = 0;

  98                        tmp[12] = 0; tmp[13] = 0; tmp[14] = 0; tmp[15] = 0;

  99                        return;

 100

 101                      case 8:

 102                        tmp[ 0] = 0; tmp[ 1] = 0; tmp[ 2] = 0; tmp[ 3] = 0;

 103                        tmp[ 4] = 0; tmp[ 5] = 0; tmp[ 6] = 0; tmp[ 7] = 0;

 104                        return;

 105

 106                      case 4:

 107                        tmp[ 0] = 0; tmp[ 1] = 0; tmp[ 2] = 0; tmp[ 3] = 0;

 108                        return;

 109                }

 110        }

 111        i = __FDSET_LONGS;

 112        while (i) {

 113                i--;

 114                *tmp = 0;

 115                tmp++;

 116        }//此循环是为了使得上面的判断操作变得更安全。

 117}

上面有内建函数 __builtin_constant_p ，这个函数用于判断一个值是否为编译时常数，假如参数__FDSET_LONGS的

值是常数，函数返回 1，否则返回 0。

 

FD_SET(int fd,fd_set *set);//将一个文件描述符加入文件描述集中 。

即将fd在文件描述符中所对应的位置1，*set为所操作的文件描述符集对象。

2static __inline__ void __FD_SET(unsigned long __fd, __kernel_fd_set *__fdsetp)

  53{

  54        unsigned long __tmp = __fd / __NFDBITS;

  55        unsigned long __rem = __fd % __NFDBITS;

  56        __fdsetp->fds_bits[__tmp] |= (1UL<<__rem);//将无符号长整型的1左移_rem位

  57}

 

 

 

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。

 

static __inline__ void __FD_CLR(unsigned long __fd, __kernel_fd_set *__fdsetp)

  61{

  62        unsigned long __tmp = __fd / __NFDBITS;

  63        unsigned long __rem = __fd % __NFDBITS;

  64        __fdsetp->fds_bits[__tmp] &= ~(1UL<<__rem);

  65}

 

 

 

FD_ISSET(int fd,fd_set *set)//判断文件描述符是否被置位。

 

9static __inline__ int __FD_ISSET(unsigned long __fd, const __kernel_fd_set *__p)

  70{

  71        unsigned long __tmp = __fd / __NFDBITS;

  72        unsigned long __rem = __fd % __NFDBITS;

  73        return (__p->fds_bits[__tmp] & (1UL<<__rem)) != 0;

  74}（注：这个地方的return，你可以看看它的用法，实际上它返回的是一个0，或者1，很奇怪，呵呵）

 

设备驱动中的轮询操作：

 

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。

1、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;

2、返回表示是否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);

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

  38{

  39        if (p && wait_address)

  40                p->qproc(filp, wait_address, p);//这个函数需要用户自己编写来实现。

  41}

下面是对轮询表的定义：

  33typedef struct poll_table_struct {

  34        poll_queue_proc qproc;

  35} poll_table;

  31typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);

由上面的代码可以知道poll_table 结构只是对一个函数的封装，更有趣的是，这个函数建立了实际的数据结构. 那个数据结构, 对于 poll和 select, 是一个内存页的链表, 其中包含 poll_table_entry 结构. 每个 poll_table_entry 持有被传递给 poll_wait 的 struct file 和 wait_queue_head_t 指针, 以及一个关联的等待队列入口.

下面是poll_table_entry结构体的源代码：

 

  48struct poll_table_entry {  49        struct file * filp;  50        wait_queue_t wait;  51        wait_queue_head_t * wait_address;  52};

poll_wait()函数的名称非常容易让人产生误会，以为它和wait_event()等一样，会阻塞地等待某件事情的发生，

这个函数不会引起阻塞.poll_wait()函数所作的 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意味着设备可以无阻塞地读，POLLOUT意味着设备可以无阻塞地写。

下面对poll()函数的可获得状态的取值进行解析：

POLLIN

如果设备可被不阻塞地读, 这个位必须设置.

POLLRDNORM

这个位必须设置, 如果"正常"数据可用来读. 一个可读的设备返回( POLLIN|POLLRDNORM ).

POLLRDBAND

这个位指示带外数据可用来从设备中读取. 当前只用在 Linux 内核的一个地方( DECnet 代码 )并且通常对设备驱动不可用.

POLLPRI

高优先级数据(带外)可不阻塞地读取. 这个位使 select 报告在文件上遇到一个异常情况, 因为 selct 报告带外数据作为一个异常情况.

POLLHUP

当读这个设备的进程见到文件尾, 驱动必须设置 POLLUP(hang-up). 一个调用 select 的进程被告知设备是可读的, 如同 selcet 功能所规定的.

POLLERR

一个错误情况已在设备上发生. 当调用 poll, 设备被报告位可读可写, 因为读写都返回一个错误码而不阻塞.

POLLOUT

这个位在返回值中设置, 如果设备可被写入而不阻塞.

POLLWRNORM

这个位和 POLLOUT 有相同的含义, 并且有时它确实是相同的数. 一个可写的设备返回( POLLOUT|POLLWRNORM).

POLLWRBAND

    如同 POLLRDBAND , 这个位意思是带有零优先级的数据可写入设备. 只有 poll 的数据报实现    使用这个位,

因为一个数据报看传送带外数据.应当重复一下 POLLRDBAND 和 POLLWRBAND 仅仅对关联到 socket 的文件描述符有意义:

 通常设备驱动不使用这些标志.

 

 

 

 

 

发表于： 2008-08-06 ，修改于： 2008-08-07 16:11，已浏览1333次，有评论5条 推荐 投诉 

 

  网友评论

 

内容： 在static __inline__ int __FD_ISSET(unsigned long __fd, const __kernel_fd_set *__p)

函数中，__NFDBITS是8*sizeof(unsigned long),如果在32位系统下，就是32，__tmp是用于df_set类型中fds_bits数组成员的下标，之所以等于fd/__NFDBITS是因为要充分利用内存。例如__fd小于32的所有文件描述符都使用fds_bist[0]的相应位来标识其是否有变化，__fd等于0的使用fds_bits[0]的第零位，__fd等于1的使用fds_bits[0]的第一位，依次如此。这样fds_bits数组的每一个元素(一个unsigned long型)都可以检测32个文件描述符的变化情况，而不必要使用32个unsigned long型。

 

Niu Tao评论于：2008-08-06 12:06:49 （221.11.22.★） 

 

 

内容： __tmp是用于df_set类型中fds_bits数组成员的下标，之所以等于fd/__NFDBITS是因为要充分利用内存。这样说法应该不怎么具有说服力吧！因为大多数情况下，1024个文件描述符已经足够了，当然，可能会大于这个值。但是想想看，1024位在整个内存中又算得了什么呢？所以，上面的说法说服力不是很强。那么，如果是为了更容易操作，那结果又会是怎样的呢？

 

chinahhucai 评论于：2008-08-06 21:29:20 （221.11.22.★） 

 

 

内容： static __inline__ void __FD_ZERO(__kernel_fd_set *p)

在这个函数中，为什么不直接用循环来完成了，这样代码还简单些，因为循环效率低吗？

 

chenjifeng 评论于：2008-08-07 10:29:24 （221.11.22.★） 

 

 

内容： 首先说说上面说的节省内存？在32位系统下，如果使用一位去监测一个文件描述符，按默认监测1024个文件描述符需要__FDSET_LONGS个long，也就是128字节，而如果使用一个long型去监测一个文件描述符，那就需要1024个long，也就是4096字节。也许对于现在的大内存而言没什么，但在像arm那样的板上会是如何？要知道每一个字节都很宝贵，都不能浪费。况且一个好的操作系统就是要很好的管理系统资源，用最小的代价提供最好的性能为应用程序服务，如果每个数据结构的设计都出于“浪费几个字节无所谓”的态度，那这样下来内核里的N多个浪费的几个字节加起来会是一个什么概念？恐怕要用MB去度量吧。当然对于你说的更容易操作，昨天的确是没考虑，第一感觉就是节省内存。今天你提起觉得的确是有这样的目的，比如__FD_SET()等都是用了位操作。

下来说说select具体是如何和我们写的poll联系起来的：

select(用户态调用select)  （注：这个时候应用层调用的是select ()，你也可以追踪内核源代码，看看应用层调用

-->sys_select                                        poll时是如何一级一级用下去的，呵呵）

---->core_sys_select

------>do_select

-------->poll(驱动程序里的poll)

可以看到一层层调用下来，就到了我们写的poll了。其中select的第一个参数n最终是用在了do_select里控制循环了，后面三个在core_sys_select里被“加工”也是被传到do_select里了，而最后的参数timeout是被换算为HZ最中在do_select里被用做schedule_timeout()的参数了。

 

niutao.linux 评论于：2008-08-07 10:36:23 （221.11.22.★） 

 

 

内容： 对于chenjifeng的问题我是这样理解的：

如果使用循环代码的确是会简单一些，但如果编译成汇编的话，循环必定涉及到指令的跳转，而简单的赋值操作却只是一个mov就搞定了，况且是顺序执行，效率显然比循环高多了。