《Linux驱动基础篇》- 异步通知与异步I/O

异步通知：

        当资源可用时，驱动主动通知应用程序，应用程序在获取到通知后进行资源访问。这样阻塞的访问会被类似“中断”的异步通知说代替，而非阻塞方式的轮询访问也没有轮询必要。

        异步通知是由信号来驱动的，信号可以认为是在软件上模拟的中断机制，原理很简单：当资源可用时，驱动主动给进程发送信号，当进程接受到信号之后被唤醒，进而执行信号处理函数。下面是三者当前区别：

        阻塞I/O、非阻塞I/O、异步通知是由区别的，但是本身是没有什么优劣之分的，只不过应用的场景不同而已。

信号：   

        使用信号进行进程间通信时UNIX系统的一种传统通信机制，Linux也支持这种机制。在Linux中驱动的异步通知是由信号来实现的。下面是系统中可用的一些信号：

     

        除了SIGSTOP和SIGKILL之外，进程可以忽略或者捕获其他全部的信号。所谓捕获指的是当信号到来时有相应的处理函数来处理它，如果没有注册信号处理函数，那么系统将会采用默认的方式来处理它。

信号的接受：

        应用程序中可以使用signal函数来设置对应的处理函数：     

void (*signal (int signum, void (*handler)) (int) ) (int)

         上述函数原型可以分解为：

typedef void (*sig_t) (int);
sig_t signal(int signum, sig_t handler);

         signal函数第一个参数指定信号值， 第二个参数是一个信号处理函数。若为SIG_IGN表示忽略信号，若为SIG_DFL表示采用默认方式处理信号，若为用户自定义函数那么信号在被捕获到之后handler函数会被执行。

         例如在进程执行时，按下【ctrl + c】组合键将向进程发出SIGINT信号，kill正在运行的进程。下面是示例代码：

void sig_handler(int signum) {
printf("caught sig NO.%dn");
exit(0);
}
int main(void) {
signal(SIGINT, sigterm_handler);
while(1);
return 0;
}

        
        除了signal()函数外，sigaction()函数可用于改变进程接受到特定信号后的行为，它的原型如下：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

       该函数第一个参数为信号值，第二个参数指向sigaction的一个实例指针，在结构体sigaction的实例中，指定了对待特定信号的处理函数，第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对应信号的处理函数。

#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include ...
void input_handler(int signum) {
char data[MAX_LEN];
int len;
//读取并输出STDIN_FILENO上的输入
len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);
data[len] = 0;
printf("input available: %sn", data);
}
int main(){
int flags;
//启动信号驱动机制
signal(SIGIO, input_handler);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
flags = fcntl(STDIN_FILENO, FGETFL);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flas | FASYNC);
while(1);
}

         为了在应用程序中处理一个设备释放的信号，必须完成下面三项工作：

        1.通过F_SETOWN控制命令来设置设备文件的拥有者为本进程，这样从设备驱动发出的信号才能被本进程接收到。

        2.通过F_SETFL控制命令来设置设备文件支持FASNC，即异步通知模式。

        3.通过signal函数连接信号和信号处理函数。

信号的释放：

        上面通过signal用法的介绍，说明了信号的接受和处理；同时知道了若要让设备文件发出异步通知，需要使用fcntl来设置设备文件的异步通知模式的。这里基本弄清楚了信号的通信过程，设备的异步通知源头在驱动中，目的端在进程中，下面主要讲驱动中如何发出信号的。

        为了使设备发出异步通知，驱动需要完成下面三项工作：

        1.支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设备filp->f_owner为对应进程ID。不过此项工作已由内核完成。

        2.支持F_SETFL命令，每当FASYC表示为改变时，驱动程序中的fasync()函数就会被执行。因此，驱动中应该实现fasync()函数。

        3.在设备资源可获得时，调用kill_fasync()函数激发相应的信号。

        下面是应用成语与设备驱动的交互过程：

         驱动中异步通知编程比较简单，主要用到一项数据结构和两个函数。数据结构是fasync_struct,两个函数分别为：

         1.处理FASYNC标志改变的函数

int faync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct, **fasync);

         2.释放信号

void kill_fasync(struct fasync_struct **fasync, int sig, int band);

         和其他设备驱动一样，将fasync_struct结构体指针放在设备结构体中仍然是最佳选择。下面是支持异步通知的模板代码：

struct xxx_dev {
struct cdev cdev;
...
struct fasync_struct *async_queue;
}
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int mode) {
struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);
}
static irqreturn_t xxx_irq(int irq, void *dev_id) {
...
/*产生异步信号*/
if(xxx_devp->async_queue)
kill_fasync(&xxx_devp->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
...
}
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
...
/*从异步通知列表中删除文件*/
xxx_fasync(-1, filp, 0);
...
}

        学习过程中提问是掌握关键点的最好办法。上述的代码描述了使用异步通知的方法，但是对于学习来说仍然不够深刻，底层开发者必须要刨根问底：

       1.fasync函数的原理

        fasync函数主要是调用fasync_helper函数，这个函数比fasync函数多一个fasync_struct结构体参数。这个fasync_struct结构体是用来存放（fd，filp）的， 并通过fasync_helper提交给内核统一管理，实际上fasync_struct 形成一个异步链表，helper函数会吧fasync_struct加入到异步链表当中。一旦有信号，内核会查找异步链表当中的filp以及其owner，并将信号发给owner。

       2.fasync_struct有什么作用

fasync_struct
struct fasync_struct {
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next; /* singly linked list */ //一个链表
struct file *fa_file;
};

        主要用来记录filp，此结构体会被登记到内核异步链表当中。

       3.kill_fasync函数觉得名字莫名其妙啊

       主要作用是用来给一个filp（记录在了fasync_struct中）对应的进程发送信号，但是为什么要用kill开头呢，看不懂！

                 

最后

以上就是可靠红酒为你收集整理的《Linux驱动基础篇》- 异步通知与异步I/O的全部内容，希望文章能够帮你解决《Linux驱动基础篇》- 异步通知与异步I/O所遇到的程序开发问题。

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