【linux】驅動-13-阻塞與非阻塞

李柱明發表於2021-06-21

Linux

前言

13. 阻塞與非阻塞

本章內容為驅動基石之一。
驅動只提供功能，不提供策略。

阻塞與非阻塞 都是應用程式主動訪問的。從應用角度去解讀阻塞與非阻塞。

原文：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14912496.html

13.1 阻塞與非阻塞

阻塞：

指在執行裝置操作時，若不能獲得資源，則掛起程式，直至滿足操作的條件後再繼續執行。

非阻塞：

指在執行裝置操作時，若不能獲得資源，則不掛起，要麼放棄，要麼不停查詢，直至裝置可操作。

實現阻塞的常用技能包括：(目的其實就是阻塞)

休眠與喚醒機制（和等待佇列相輔相成）。
等待佇列（和休眠與喚醒機制相輔相成）。
poll機制。

13.2 休眠與喚醒

若需要實現阻塞式訪問，可以使用休眠與喚醒機制。

相關函式其實在 等待佇列 小節有說明了，現在只是函式彙總。

13.2.1 核心休眠函式

核心原始碼路徑：include\linux\wait.h。

函式名	描述
wait_event(wq, condition)	休眠，直至 condition 為真；休眠期間不能被打斷。
wait_event_interruptible(wq, condition)	休眠，直至 condition 為真；休眠期間可被打斷，包括訊號。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 為真或超時；休眠期間不能被打斷。
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)	休眠，直至 condition 為真或超時；休眠期間可被打斷，包括訊號。

13.2.2 核心喚醒函式

核心原始碼路徑：include\linux\wait.h。

函式名	描述
wake_up_interruptible(x)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的執行緒，只喚醒其中的一個執行緒
wake_up_interruptible_nr(x, nr)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的執行緒，只喚醒其中的 nr 個執行緒
wake_up_interruptible_all(x)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”的執行緒，喚醒其中的所有執行緒
wake_up(x)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的執行緒，只喚醒其中的一個執行緒
wake_up_nr(x, nr)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的執行緒，只喚醒其中 nr 個執行緒
wake_up_all(x)	喚醒 x 佇列中狀態為“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的執行緒，喚醒其中的所有執行緒

13.3 等待佇列（阻塞）

等待佇列：

其實就是核心的一個佇列功能單位&API。
在驅動中，可以使用等待佇列來實現阻塞程式的喚醒。

使用方法：

定義等待佇列頭部。
初始化等待佇列頭部。
定義等待佇列元素。
新增/移除等待佇列。
等待事件。
喚醒佇列。

另外一種使用方法就是 在等待佇列上睡眠。

等待佇列頭部結構體：

struct wait_queue_head {
	spinlock_t		lock;
	struct list_head	head;
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;

等待佇列元素結構體：

struct wait_queue_entry {
	unsigned int		flags;
	void			*private;
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;
};

13.3.1 定義等待佇列頭部

定義等待佇列頭部方法：wait_queue_head_t my_queue;

13.3.2 初始化等待佇列頭部

初始化等待佇列頭部原始碼：void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q);
或
定義&初始化等待佇列頭部：使用巨集 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD。

13.3.3 定義等待佇列元素

定義等待佇列元素原始碼：#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);

name：該等待佇列元素的名字。
tsk：該等待佇列元素歸屬於哪個任務程式。

13.3.4 新增/移除等待佇列元素

新增等待佇列元素原始碼：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

wq_head：等待佇列頭部。
wq_entry：等待佇列。

移除等待佇列元素原始碼：void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);

wq_head：等待佇列頭部。
wq_entry：等待佇列。

13.3.5 等待事件

睡眠，直至事件發生：wait_event(wq_head, condition)

wq_head：等待佇列頭。
condition：事件。當其為真時，跳出。

/**
 * wait_event - sleep until a condition gets true
 * @wq_head: the waitqueue to wait on
 * @condition: a C expression for the event to wait for
 *
 * The process is put to sleep (TASK_UNINTERRUPTIBLE) until the
 * @condition evaluates to true. The @condition is checked each time
 * the waitqueue @wq_head is woken up.
 *
 * wake_up() has to be called after changing any variable that could
 * change the result of the wait condition.
 */
#define wait_event(wq_head, condition)						\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

TASK_INTERRUPTIBLE：處於等待隊伍中，等待資源有效時喚醒（比如等待鍵盤輸入、socket連線等等），可被訊號中斷喚醒。可被訊號和 wake_up() 喚醒。
TASK_UNINTERRUPTIBLE：處於等待隊伍中，等待資源有效時喚醒（比如等待鍵盤輸入、socket連線等等），但會忽略訊號、不可以被中斷喚醒。即是隻能由 wake_up() 喚醒。

睡眠，直至事件發生或超時：wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

等待事件發生，且可被訊號中斷喚醒：wait_event_interruptible(wq_head, condition)
等待事件發生或超時，且可被訊號中斷喚醒：wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition, timeout)

io_wait_event()：

/*
 * io_wait_event() -- like wait_event() but with io_schedule()
 */
#define io_wait_event(wq_head, condition)					\
do {										\
	might_sleep();								\
	if (condition)								\
		break;								\
	__io_wait_event(wq_head, condition);					\
} while (0)

13.3.6 喚醒佇列

以下兩個函式對應等待事件使用：

喚醒佇列：void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
喚醒佇列，訊號中斷可喚醒：void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

13.3.7 在等待佇列上睡眠

函式原始碼：

sleep_on(wait_queue_head_t *q)
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
sleep_on()：
- 把當前程式狀態設定為 TASK_INTERRUPTIBLE，並定義一個等待佇列元素，並新增到 q 中。
- 直到資源可用或 q 佇列指向連結的程式被喚醒。
- 與 wake_up() 配套使用。interruptible_sleep_on() 與 wake_up_interruptible() 配套使用。

13.4 輪詢

當使用者應用程式以非阻塞的方式訪問裝置，裝置驅動程式就要提供非阻塞的處理方式。
poll、epoll 和 select 可以用於處理輪詢。這三個 API 均在 應用層 使用。

注意，輪詢也是在APP實現輪詢的。

13.4.1 select 函式

select()：

函式原型：int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
numfds：需要檢查的 fd 中最大的 fd + 1。
readfds：讀檔案描述符集合。NULL 不關心這個。
writefds：寫檔案描述符集合。NULL 不關心這個。
exceptfds：異常檔案描述符集合。NULL 不關心這個。
timeout：超時時間。NULL 時為無限等待。
時間結構體：

struct timeval{
    long tv_sec;    // 秒
    long tv_usec;   // 微妙
};

返回：
- 0：超時。
- -1：錯誤。
- 其他值：可進行操作的檔案描述符個數。
原理：fd_set 為一個 N 位元組型別，需要操作的 fd 值在對應位元上置為 1 即可。若 fd 的值為 6，需要檢查讀操作，則把 readfds 第 6 個 bit 置 1。呼叫該函式後，先把對應 fd_set 清空，再檢查、標記可操作情況。Linux 提供以下介面操作：

FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 把 fd 對應的 set bit 清空。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 檢視 d 對應的 set bit 是否被置 **1**。
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 把 fd 對應的 set bit 置 **1**。
FD_ZERO(fd_set *set); // 把 set 全部清空。

fd_set 是有限制的，可以檢視原始碼，修改也可。但是改大會影響系統效率。

13.4.2 poll 函式

由於 fd_set 是有限制的，所以當需要監測大量檔案時，便不可用。
這時候，poll() 函式就應運而生。

poll() 和 select() 沒什麼區別，只是前者沒有最大檔案描述符限制。

函式原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
fds：要監視的檔案描述符集合。
nfds：要監視的檔案描述符數量。
timeout：超時時間。單位 ms。
返回：
- 0：超時。
- -1：發生錯誤，並設定 error 為錯誤型別。
- 其它：返回 revent 域值不為 0 的 pollfd 個數。即是發生事件或錯誤的檔案描述符數量。

被監視的檔案描述符格式：

struct pollfd{
    int fd; /* 檔案描述符 */
    short events; /* 請求的事件 */
    short revents; /* 返回的時間 */
}

可請求的事件 events：

巨集	說明
POLLIN	有資料可讀
POLLPRI	有緊急的資料需要讀取
POLLOUT	可以寫資料
POLLERR	指定的檔案描述符發生錯誤
POLLHUP	指定的檔案描述符被掛起
POLLNVAL	無效的請求
POLLRDNORM	等同於 POLLIN

13.4.3 epoll 函式

select() 和 poll() 會隨著監測的 fd 數量增加，而出現效率低下的問題。
poll() 每次監測都需要歷遍所有被監測的描述符。

epoll() 函式就是為大量並大而生的。在網路程式設計中比較常見。

epoll() 使用方法：

建立一個 epoll 控制程式碼：
- 函式原型：int epoll_creat(int size);
- size：隨便大於 0 即可。 Linux2.6.8 後便不再維護了。
- 返回：
  - epoll 控制程式碼。
  - -1：建立失敗。
向 epoll 新增要監視的檔案及監測的事件。
- 函式原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);。
- epfd：epoll 控制程式碼。
- op：操作標識。
  - EPOLL_CTL_ADD：向 epfd 新增 fd 表示的描述符。
  - EPOLL_CTL_MOD：修改 fd 的 event 時間。
  - EPOLL_CTL_DEL：從 epfd 中刪除 fd 描述符。
- fd：要監測的檔案。
- event：要監測的事件型別。
等待事件發生。
- 函式原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);。
- epfd：epoll 控制程式碼。
- events：指向 epoll_event 結構體陣列。
- maxevents：events 陣列大小，必須大於 0。
- timeout：超時時間。

epoll_event 結構體：

struct epoll_event{
    uint32_t events; /* epoll 事件 */
    epoll_data_t data; /* 使用者資料 */
}