Linux 设备驱动中的 I/O模型（二）—— 异步通知和异步I/O

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我是靠谱客的博主外向蓝天，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Linux 设备驱动中的 I/O模型（二）—— 异步通知和异步I/O，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

阻塞和非阻塞访问、poll() 函数提供了较多地解决设备访问的机制，但是如果有了异步通知整套机制就更加完善了。

异步通知的意思是：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上“中断”的概念，比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

阻塞I/O意味着移植等待设备可访问后再访问，非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问，而异步通知则意味着设备通知自身可访问，实现了异步I/O。由此可见，这种方式I/O可以互为补充。

1、异步通知的概念和作用

影响：阻塞–应用程序无需轮询设备是否可以访问

非阻塞–中断进行通知

即：由驱动发起，主动通知应用程序

2、linux异步通知编程

2.1 linux信号

作用：linux系统中，异步通知使用信号来实现

函数原型为：

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

原型比较难理解可以分解为

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

第一个参数是指定信号的值，第二个参数是指定针对前面信号的处理函数

2.2 信号的处理函数（在应用程序端捕获信号）

signal()函数

//启动信号机制
 
void sigterm_handler(int sigo)
{
	char data[MAX_LEN];
	int len;
	len = read(STDIN_FILENO,&data,MAX_LEN);
	data[len] = 0;
	printf("Input available:%sn",data);
	exit(0);
 }
 
int main(void)
{
 
	int oflags;

	//启动信号驱动机制
	signal(SIGIO,sigterm_handler);
	fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid());
	oflags = fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);
	fctcl(STDIN_FILENO,F_SETFL,oflags | FASYNC);
	
	//建立一个死循环，防止程序结束	 
	whlie(1);
 
	return 0;
}

2.3 信号的释放 (在设备驱动端释放信号)

为了是设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及以下3项工作

（1）、支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应的进程ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。
（2）、支持F_SETFL命令处理，每当FASYNC标志改变时，驱动函数中的fasync()函数得以执行。因此，驱动中应该实现fasync()函数
（3）、在设备资源中可获得，调用kill_fasync（）函数激发相应的信号

设备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。这个数据结构是fasync_struct 结构体，两个函数分别是：

a -- 处理FASYNC标志变更

int fasync_helper(int fd,struct file *filp,int mode,struct fasync_struct **fa);

b -- 释放信号用的函数

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

和其他结构体指针放到设备结构体中，模板如下

struct xxx_dev{
	struct cdev cdev;
	...
	struct fasync_struct *async_queue;
	//异步结构体指针
};

在设备驱动中的fasync()函数中，只需简单地将该函数的3个参数以及fasync_struct结构体指针的指针作为第四个参数传入fasync_helper()函数就可以了，模板如下

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);
}

在设备资源可获得时应该调用kill_fasync()函数释放SIGIO信号，可读时第三个参数为POLL_IN，可写时第三个参数为POLL_OUT，模板如下

static ssize_t xxx_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos)
{
	struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
	...
	 
	if(dev->async_queue)
 
	kill_fasync(&dev->async_queue,GIGIO,POLL_IN);
 	...
}

最后在文件关闭时，要将文件从异步通知列表中删除

int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp)
{
	xxx_fasync(-1,filp,0);
 
	...
	return 0;
 
}

3、下面是个实例：

hello.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/fcntl.h>

static int major = 250;
static int minor=0;
static dev_t devno;
static struct class *cls;
static struct device *test_device;

static char temp[64]={0};
static struct fasync_struct *fasync;

static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
{
	return 0;
}
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filep)
{
	return 0;
}

static ssize_t hello_read(struct file *filep, char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
{
	if(len>64)
	{
		len =64;
	}
	if(copy_to_user(buf,temp,len))
	{
		return -EFAULT;
	}	
	return len;
}
static ssize_t hello_write(struct file *filep, const char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
{
	if(len>64)
	{
		len = 64;
	}

	if(copy_from_user(temp,buf,len))
	{
		return -EFAULT;
	}
	printk("write %sn",temp);

	kill_fasync(&fasync, SIGIO, POLL_IN);
	return len;
}

static int hello_fasync (int fd, struct file * file, int on)
{
	return fasync_helper(fd, file, on, &fasync);

}
static struct file_operations hello_ops=
{
	.open = hello_open,
	.release = hello_release,
	.read =hello_read,
	.write=hello_write,
};
static int hello_init(void)
{
	int ret;	
	devno = MKDEV(major,minor);
	ret = register_chrdev(major,"hello",&hello_ops);

	cls = class_create(THIS_MODULE, "myclass");
	if(IS_ERR(cls))
	{
		unregister_chrdev(major,"hello");
		return -EBUSY;
	}
	test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"hello");//mknod /dev/hello
	if(IS_ERR(test_device))
	{
		class_destroy(cls);
		unregister_chrdev(major,"hello");
		return -EBUSY;
	}	
	return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
	device_destroy(cls,devno);
	class_destroy(cls);	
	unregister_chrdev(major,"hello");
	printk("hello_exit n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

test.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>

static int fd,len;
static char buf[64]={0};

void func(int signo)
{
	printf("signo %d n",signo);
	read(fd,buf,64);
	printf("buf=%s n",buf);	
}

main()
{

	int flage,i=0;

	fd = open("/dev/hello",O_RDWR);
	if(fd<0)
	{
		perror("open fail n");
		return ;
	}


	fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());
	flage = fcntl(fd,F_GETFL);
	fcntl(fd,F_SETFL,flage|FASYNC);

	signal(SIGIO,func);

	while(1)
	{

		sleep(1);
		printf("%dn",i++);
	}

	close(fd);
}