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Linux 驱动程序 高级IO操作

关于IO的高级话题

 

阻塞型IO –休眠

 

让一个进程进入休眠状态是很容易的,但是我们必须考虑如何不让他“一睡不醒”。其中有几个重要的规则我们必须遵守。

 

1.永远不要在原子的上下文中进入睡眠。尤其驱动程序不能在拥有自旋锁,seqlock或者RCU锁时休眠。如果我们已经禁止中断也不能使休眠。所以休眠的信号量必须很小。

 

2.当我们被唤醒时,我们不能对睡眠时间作任何的假设,因此必须检查确保我们等待的条件为真。

 

3.除非我们知道其他人会在某一个地方唤醒我门,否则进程不能进入休眠状态。

 

 

休眠的几个内核函数接口:

 

“include/linux/wait.h”

 

等待队列:

struct __wait_queue {

unsigned int flags;

void *private;

wait_queue_func_t func;

struct list_head task_list;

};

 

 

/**

* wait_event - sleep until a condition gets true

* @wq: 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 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, condition) \

do { \

might_sleep(); \

if (condition) \

break; \

__wait_event(wq, condition); \

} while (0)

 

简单来说使用这个函数,我们就会被置于非中断休眠,屏蔽中断的休眠方式,还有非屏蔽中断休眠,它可以被某个信号中断。我们这里就写这一个例子。

 

wake_up 唤醒操作

#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)

void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr, void *key;

 

在CODE中有一个SLEEP 的模块,具有一个简单的行为设备:任何试图从该设备上读取的进程均被放置到休眠态,只要某个进程向该设备写入,所有的休眠进程就会被唤醒。./code/sleepy.c

 

效果如下:

sp1

我们加载完成小模块后,对它进行一个读行为cat ,一个写行为 ls > 重定向。

sp2

友情提示:这里光加载模块是不够的,需要使用mknod 命令创建设备,不清楚的读者可以参考前文:

 

还是帮助下大家:

insmod sleepy.ko

mknod /dev/sleepy c 247 0

 

 

 

 

 

 

读取的进程被睡眠,写的进程被读取。

 

 

阻塞和非阻塞操作

 

一般情况下,如果我们需要设置非阻塞操作,直接可以设置set_noblock 标志关键字。其实内核的处理是非常简单而且直接的, 检查是否设置非阻塞标志,如果没有设置就调用wait_sleep睡眠,设置了做好处理直接返回,非阻塞并没有什么厉害的。

 

我们来讨论缓冲区在阻塞中的使用,大多数情况下而言,实现缓冲区可以提高性能,减少了上下文的切换和用户调用的次数。仅此而已,关键标志O_NONBLOCK.

 

在高级的字符驱动设备中,我们的scullpipe驱动程序,阻塞在我们的read调用的进程在数据到达时被唤醒,通常硬件会发出一个中断来处理,然后作为中断处理的一部分,驱动程序会唤醒等待进程。我们选择另一个进程来产生数据并唤醒读取进程,读取进程用来唤醒等待缓冲区空间可用的写入进程。

 

我们在read_p 中添加了阻塞相关的内容,书P155.

 

## 进程如何休眠?

 

1.初始化一个wait_queue_t 的等待队列。

 

2.设置进程状态,设置休眠状态。

 

3.放弃处理器,在这之前我们必须要检查是否满足唤醒条件,不然会丧失最后唤醒的机会永远睡眠下去。即使唤醒发生在这里两个操作中间,休眠会把进程修改成RUNING状态,schedule()会立即返回。

 

 

## 测试SCULLPIPE 程序

 

我们向设备读取文件,然后肯定会阻塞,然后我们在另一个进程中读取文件,可以看到之前睡眠的读取进程被唤醒,读取成功。

我们用cat读取 用cp 写入

 

 

ss2

读取完成。

 

 

## 接着POLL和SELECT

学过网络编程的同学都清楚这两个调用是干什么的,用来等待个文件流的操作。

其实这并不是网络编程的专利,在内核中本来就是一种监听等待的机制。书上说的很明白,我们来看看他的数据结构图。

 

 

很简单,当我们调用POLL的时候其实就创建了一个POLL_TABLE添加一个等待的队列,而这个队列上有三个结构项

1.指向被打开的文件类型指针。

2.一个等待队列指针。

3.一个关联的等待队列入口。

 

如果轮询时没有一个可以进行非阻塞IO,进入休眠。有IO则返回一个掩码。

从图中我们也能看出来EPOLL出现的原因了,在典型情况下,对POLL或者SELSECT的调用只涉及到几个文件描述符,当我们需要使用很多描述符的时候处理成本增大,

所以才有了EPOLL只需要一次构造内部内核数据结构,然后多次使用。

 

polol

简单异步实现

1.指定一个进程作为文件的“属主”,fcntl系统调用执行F_SETSHOW时,属主的PID被保存到filp->f_owner 中。

 

2.当输入文件有数据时,请求发送一个ISGIO信号。该信号被发送到存放在filp->f_owner中的进程,如果是负值,就发送给进程组。

 

本文固定链接: http://zmrlinux.com/2017/04/30/%e9%ab%98%e7%ba%a7io%e6%93%8d%e4%bd%9c/ | Kernel & Me

该日志由 root 于2017年04月30日发表在 Linux kernrl, 驱动程序 分类下, 你可以发表评论,并在保留原文地址及作者的情况下引用到你的网站或博客。
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