linux驱动笔记（五）：异步通知

62 阅读 0 评论 41 点赞

我是靠谱客的博主英勇月光，最近开发中收集的这篇文章主要介绍linux驱动笔记（五）：异步通知，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一、应用程序对异步通知的处理包括以下三步：

1、注册信号处理函数
应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数，应用程序使用 signal 函数来
置信号的处理函数。

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));
第一个参数指定信号的值，第二个参数指定针对前面信号值的处理函数，若为 SIG_IGN，表示忽略该信
号；若为 SIG_DFL，表示采用系统默认方式处理信号；若为用户自定义的函数，则信号被捕获到后，该函数
将被执行

2、将本应用程序的进程号告诉给内核
使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。
3、开启异步通知
使用如下两行程序开启异步通知：
flags = fcntl(fd, F_GETFL); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 开启当前进程异步通知功能 */
重点就是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC，经过这一步，驱动程序中的 fasync 函
就会执行。

实例


void sigint_handler(int num)
{
    printf("rnSIGINT signal!rn");
    exit(0);
}

int main(void)
{
     signal(SIGINT, sigint_handler);
    while(1);
    return 0;
}

二、驱动层

1 、首先我们需要在驱动程序中定义一个fasync_struct结构体指针变量，

2、如果要使用异步通知，需要在设备驱动中实现file_operations操作集中的fasync函数，此函数格式如下所示：

int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on)

fasync函数里面一般通过调用fasync_helper函数来初始化前面定义的fasync_struct结构体指针，fasync_helper函数原型如下：

int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)

fasync_helper函数的前三个参数就是fasync函数的那三个参数，第四个参数就是要初始化的fasync_struct结构体指针变量。当应用程序通过“fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)”改变fasync标记的时候，驱动程序file_operations操作集中的fasync函数就会执行。

static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)

{

struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;

if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)

return -EIO;

return 0;

}

static struct file_operations xxx_ops = {

......

.fasync = xxx_fasync,

......

};

3、在关闭驱动文件的时候需要在file_operations操作集中的release函数中释放fasync_struct，fasync_struct的释放函数同样为fasync_helper，release函数参数参考实例如下：

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */

}

4、驱动层如何通知应用层

kill_fasync函数

当设备可以访问的时候，驱动程序需要向应用程序发出信号，相当于产生“中断”。kill_fasync函数负责发送指定的信号，kill_fasync函数原型如下所示：

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

函数参数和返回值含义如下：

fp：要操作的fasync_struct。

sig：要发送的信号。

band：可读时设置为POLL_IN，可写时设置为POLL_OUT。

返回值：无。

9.4 linux异步I/O

9.4.1 AIO概念与GNU C库 AIO

9.4.1.1 AIO概念

同步I/O：linux系统中最常用的输入输出（I/O）模型是同步I/O，在这个模型中，当请求发出后，应用程序就会阻塞，知道请求满足
异步I/O：I/O请求可能需要与其它进程产生交叠
Linux 系统中最常用的输入/输出（I/O）模型是同步 I/O
- 在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足为止
- 调用应用程序在等待 I/O 请求完成时不需要使用任何中央处理单元（CPU）
- 在某些情况下，I/O 请求可能需要与其他进程产生交叠，可移植操作系统接口（POSIX）异步 I/O（AIO）应用程序接口（API）就提供了这种功能

9.4.1.1 AIO系列API：

aio_read–异步读
- 作用：请求对一个有效的文件描述符进行异步读写操作
  - 请求进行排队之后会立即返回
  - 这个文件描述符可以表示一个文件、套接字，甚至管道
- 参数aiocb：结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓存区
- 返回值
  - 成功：返回0
  - 失败：返回-1，并设置errno的值

int aio_read( struct aiocb *aiocbp );

aio_write–异步写
- 作用：请求一个异步写操作
  - 请求进行排队之后会立即返回
  - 这个文件描述符可以表示一个文件、套接字，甚至管道
- 参数aiocb：结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓存区
- 返回值
  - 成功：返回0
  - 失败：返回-1，并设置errno的值

int aio_write( struct aiocb *aiocbp );

aio_error
- 作用：确定请求的状态
- 参数aiocb：结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓存区
- 返回值
  - EINPROGRESS：说明请求尚未完成
  - ECANCELED：说明请求被应用程序取消
  - 失败：返回-1，并设置errno的值

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );

aio_return–获得异步操作的返回值
- 异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是不能立即访问这个函数的返回状态，因为并没有阻塞在 read()调用上
- 在标准的 read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用 aio_return()函数
- 只有在 aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数
- 参数aiocb：结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓存区
- 返回值
  - 成功：返回所传输的字节数
  - 失败：返回-1

ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );

aio_suspend–挂起异步操作，直到异步请求完成为止
- 作用：挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend()返回

int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout );

aio_cancel–取消异步请求
- 作用：允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求
- 要求：
  - 如果要取消一个请求，用户需提供文件描述符和 aiocb 引用
    - 函数返回AIO_CANCELED：请求被成功取消
    - 函数返回AIO_NOTCANCELED：请求完成
  - 如果要取消对某个给定文件描述符的所有请求，用户需要提供这个文件的描述符以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用
    - 函数返回AIO_CANCELED：表明所有的请求都取消了
    - 函数返回AIO_NOTCANCELED：表明至少有一个请求没有被取消
    - 函数返回AIO_ALLDONE：表明没有一个请求可以被取消
  - 使用 aio_error()来验证每个 AIO 请求
    - aio_error()返回-1并且设置了errno被设置为ECANCELED：表明某个请求已经被取消了

int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );

lio_listio–同时发起多个传输（一次系统调用可以启动大量的I/O操作）
- 作用：这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作
- 参数
  - mode：可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT
    - LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止
    - 在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回
  - list ：是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent 定义的
    - 如果 list 的元素为 NULL，lio_listio()会将其忽略。

int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );

9.4.2 Linux内核AIO与libaio

linux AIO也可以由内核空间实现，异步I/O是linux2.6以后版本内核的标准特性
对于块设备，AIO可以一次性发出大量的read/write调用并且通过通用块层的I/O调度来获得更好的性能，用户也可以减少过多的同步负载
对网络设备而言，在socket层面上，也可以使用AIO，让CPU和网卡的收发充分交叠以改善吞吐性能
用户空间中一般要结合libaio来进行内核AIO的系统调用

io_setup( )
//Initializes an asynchronous context for the current process
io_submit( )
//Submits one or more asynchronous I/O operations
io_getevents( )
//Gets the completion status of some outstanding asynchronous I/O operations
io_cancel( )
//Cancels an outstanding I/O operation
io_destroy( )
//Removes an asynchronous context for the current process

9.4.3 AIO与设备驱动

用户空间调用io_submit()之后，对应于用户传递的每个iocb结构，内核会生成一个与之对应的kiocb结构
通过is_sync_kiocb判断某kiocb是否为同步I/O请求
- 如果是返回真，表示为异步I/O请求
字符设备：必须明确应支持AIO（极少数是异步I/O操作）
字符设备驱动程序中file_operations 包含 3 个与 AIO 相关的成员函数，

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count, loff_t offset);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count, loff_t offset);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *iocb, int datasync);