Linux 阻塞和非阻塞 IO 实验 - 服务器托管|北京服务器租用|机房托管租用|IDC托管租用|机房机柜带宽租用-价格及费用咨询

1、阻塞和非阻塞简介

这里的“IO”并不是我们学习STM32 或者其他单片机的时候所说的“GPIO”(也就是引脚)。这里的IO 指的是Input/Output，也就是输入/输出，是应用程序对驱动设备的输入/输出操作。

阻塞IO

应用程序对驱动进行操作，如果获取不到驱动中的设备资源，会将应用程序对应的线程挂起，直到驱动中设备资源可用,下面图示，应用程序调用 read 函数从设备中读取数据，当设备不可用或数据未准备好的时候就会进入到休眠态。等设备可用的时候就会从休眠态唤醒，然后从设备中读取数据返回给应用程序

应用程序使用阻塞IO方式访问驱动

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR); /* 阻塞方式打开 */

非阻塞IO

应用程序使用非阻塞访问方式从设备读取数据，当设备不可用或数据未准备好的时候会立即向内核返回一个错误码，表示数据读取失败。应用程序会再次重新读取数据，这样一直往复循环，直到数据读取成功。

应用程序通过非阻塞IO方式访问驱动

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞方式打开 */

2.等待队列

等待队列头

Linux中提供等待队列（wait queue）来实现对阻塞进程进行唤醒的工作，在驱动中使用等待队列，必须先定义并初始化等待队列头，头文件位置为include/linux/wait.h

struct __wait_queue_head {
	spinlock_t lock;
	struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

初始化等待队列头

void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
//也可以使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD 来一次性完成等待队列头的定义的初始化。

等待队列项

等待队列头就相当于一个等待队列的头部，每一个访问设备的进程都是一个等待队列项，当设备不可以用时将这些进程对应的队列项添加到等待队列头中，即添加到等待队列中，结构体 wait_queue_t 表示等待队列项，结构体内容如下：

struct __wait_queue {
	unsigned int flags;
	void *private;
	wait_queue_func_t func;
	struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

使用宏 DECLARE_WAITQUEUE 定义并初始化一个等待队列项，宏的内容如下：

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)
//name是等待队列项的名字，tsk表示这个任务属于哪个进程，一般设置为current,表示当前进程

从等待队列头添加/删除队列项

当设备不可以访问时，需要将等待队列项添加到创建的等待队列头中，只有添加到等待队列头之后进程才可以进行休眠状态，当设备可以访问时将进程对应的队列项从等待队列头中移除即可，

等待队列头添加队列项的API函数

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)
/*
q:等待队列项要加入的等待队列头

wait:要加入的等待队列项

返回值：无
*/

移除等待队列项

void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)

/*
q： 要删除的等待队列项所处的等待队列头。

wait：要删除的等待队列项。

返回值：无。
*/

等待唤醒

当设备可以使用的时候要唤醒进入休眠状态的进程，唤醒函数：

void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)

/*
参数 q 就是要唤醒的等待队列头，这两个函数会将这个等待队列头中的所有进程都唤醒。wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进程，而 wake_up_interruptible 函数只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程。
*/

等待事件

主动唤醒的同时，也可以设置等待队列等待某个事件，当被 wake_up_interruptible唤醒之后，自己再检查condition条件是否满足，满足则唤醒，否则继续休眠

轮询

应用程序使用轮询的方式对于驱动进行非阻塞访问，应用程序的poll，epoll和select函数用来处理轮询，通过这三个函数查询设备是否可以操作，如果可以操作则向设备中写入或者读取数据，当应用程序调用这三个函数会调用驱动中的poll函数，所以需要在驱动中实现poll函数

select函数

int select(int nfds,
	fd_set *readfds,
	fd_set *writefds,
	fd_set *exceptfds,
	struct timeval *timeout)

nfds：所要监视的这三类文件描述集合中，最大文件描述符加 1
readfds、 writefds 和 exceptfds：这三个指针指向描述符集合，这三个参数都是 fd_set 类型的， fd_set 类型变量的每一个位都代表了一个文件描述符。readfds用于监视指定描述符集的读变化，只要这些集合里面有一个文件可以读取那么 seclect 就会返回一个大于 0 的值表示文件可以读取。如果没有文件可以读取，那么就会根据 timeout 参数来判断是否超时。可以将 readfs设置为 NULL，表示不关心任何文件的读变化。 writefds 和 readfs 类似，只是 writefs 用于监视这些文件是否可以进行写操作。 exceptfds 用于监视这些文件的异常。
fd_set变量的操作函数

void FD_ZERO(fd_set *set) /*将set的所有位的清0*/
void FD_SET(int fd, fd_set *set)/*将set变量某一个位置1*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set)/*将set变量某一个位置0*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set)/*测试文件fd是否属于某个集合*/

timeout:超时时间，当我们调用 select 函数等待某些文件描述符可以设置超时时间，超时时间使用结构体 timeval 表示，结构体定义如下所示：

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

//当 timeout 为 NULL 的时候就表示无限期的等待。

当 timeout 为 NULL 的时候就表示无限期的等待。

返回值： 0，表示的话就表示超时发生，没有任何文件描述符可以进行操作； -1，发生错误；其他值，可以进行操作的文件描述符个数。

void main(void)
{
	int ret, fd; /* 要监视的文件描述符 */
	fd_set readfds; /* 读操作文件描述符集 */
	struct timeval timeout; /* 超时结构体 */

	fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */

	FD_ZERO(&readfds); /* 清除 readfds */
	FD_SET(fd, &readfds); /* 将 fd 添加到 readfds 里面 */

	/* 构造超时时间 */
	timeout.tv_sec = 0;
	timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */

	ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
	switch (ret) {
	case 0: /* 超时 */
		printf("timeout!rn");
		break;
	case -1: /* 错误 */
		printf("error!rn");
		break;
	default: /* 可以读取数据 */
		if(FD_ISSET(fd, &readfds)) { /* 判断是否为 fd 文件描述符 */
	 /* 使用 read 函数读取数据 */
	}
	break;
 }
}

poll函数

单个线程中， select 函数能够监视的文件描述符数量有最大的限制，一般为 1024，可以修改内核将监视的文件描述符数量改大，但是这样会降低效率！这个时候就可以使用 poll 函数，poll 函数本质上和 select 没有太大的差别，但是 poll 函数没有最大文件描述符限制， Linux 应用程序中 poll 函数原型如下所示：

int poll(struct pollfd *fds,
	nfds_t nfds,
	int timeout)

函数参数和返回值含义如下：

ds：要监视的文件描述符集合以及要监视的事件,为一个数组，数组元素都是结构体 pollfd类型的， pollfd 结构体如下所示：

struct pollfd {
	int fd; /* 文件描述符 */
	short events; /* 请求的事件 */
	short revents; /* 返回的事件 */
};

fd 是要监视的文件描述符，如果 fd 无效的话那么 events 监视事件也就无效，并且 revents 返回 0。 events 是要监视的事件，可监视的事件类型如下所示：

POLLIN 有数据可以读取。
POLLPRI 有紧急的数据需要读取。
POLLOUT 可以写数据。
POLLERR 指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP 指定的文件描述符挂起。
POLLNVAL 无效的请求。
POLLRDNORM 等同于 POLLIN

revents 是返回参数，也就是返回的事件，由 Linux 内核设置具体的返回事件。

nfds:poll函数要监视的文件描述符的数量
timeout:超时时间，单位为ms
返回值：返回 revents 域中不为 0 的 pollfd 结构体个数，也就是发生事件或错误的文件描述符数量； 0，超时； -1，发生错误，并且设置 errno 为错误类型

void main(void)
{
	int ret;
	int fd; /* 要监视的文件描述符 */
	struct pollfd fds;
	
	fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
	
	/* 构造结构体 */
	fds.fd = fd;
	fds.events = POLLIN; /* 监视数据是否可以读取 */
	
	ret = poll(&fds, 1, 500); /* 轮询文件是否可操作，超时 500ms */
	if (ret) { /* 数据有效 */
		......
		/* 读取数据 */
		......
	} else if (ret == 0) { /* 超时 */
		......
	} else if (ret

3、Linux 驱动下的 poll 操作函数

当应用程序调用select 或poll 函数来对驱动程序进行非阻塞访问的时候，驱动程序file_operations 操作集中的poll 函数就会执行。所以驱动程序的编写者需要提供对应的poll 函数，poll 函数原型如下所示：

unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)

filp：要打开的设备文件(文件描述符)。-
wait：结构体 poll_table_struct 类型指针，由应用程序传递进来的。一般将此参数传递给
poll_wait 函数。
返回值:向应用程序返回设备或者资源状态，可以返回的资源状态如下：

POLLIN 有数据可以读取。
POLLPRI 有紧急的数据需要读取。
POLLOUT 可以写数据。
POLLERR 指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP 指定的文件描述符挂起。
POLLNVAL 无效的请求。
POLLRDNORM 等同于 POLLIN，普通数据可读

需要在驱动程序的 poll 函数中调用 poll_wait 函数， poll_wait 函数不会引起阻塞，只是将应用程序添加到 poll_table 中， poll_wait 函数原型如下：

void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)


//参数 wait_address 是要添加到 poll_table 中的等待队列头，参数 p 就是 poll_table，就是file_operations 中 poll 函数的 wait 参数。

阻塞IO实验

驱动程序编写

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define IMX6UIRQ_CNT		1			/* 设备号个数 	*/
#define IMX6UIRQ_NAME		"blockio"	/* 名字 		*/
#define KEY0VALUE			0X01		/* KEY0按键值 	*/
#define INVAKEY				0XFF		/* 无效的按键值 */
#define KEY_NUM				1			/* 按键数量 	*/

/* 中断IO描述结构体 */
struct irq_keydesc {
	int gpio;								/* gpio */
	int irqnum;								/* 中断号     */
	unsigned char value;					/* 按键对应的键值 */
	char name[10];							/* 名字 */
	irqreturn_t (*handler)(int, void *);	/* 中断服务函数 */
};

/* imx6uirq设备结构体 */
struct imx6uirq_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */	
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/                 
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */	
	atomic_t keyvalue;		/* 有效的按键键值 */
	atomic_t releasekey;	/* 标记是否完成一次完成的按键，包括按下和释放 */
	struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
	struct irq_keydesc irqkeydesc[KEY_NUM];	/* 按键init述数组 */
	unsigned char curkeynum;				/* 当前init按键号 */

	wait_queue_head_t r_wait;	/* 读等待队列头 */
};

struct imx6uirq_dev imx6uirq;	/* irq设备 */



static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *dev_id)
{
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev*)dev_id;

	dev->curkeynum = 0;
	dev->timer.data = (volatile long)dev_id;
	mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10));	/* 10ms定时 */
	return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}



void timer_function(unsigned long arg)
{
	unsigned char value;
	unsigned char num;
	struct irq_keydesc *keydesc;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;

	num = dev->curkeynum;
	keydesc = &dev->irqkeydesc[num];

	value = gpio_get_value(keydesc->gpio); 	/* 读取IO值 */
	if(value == 0){ 						/* 按下按键 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
	}
	else{ 									/* 按键松开 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
		atomic_set(&dev->releasekey, 1);	/* 标记松开按键，即完成一次完整的按键过程 */
	}               

	/* 唤醒进程 */
	if(atomic_read(&dev->releasekey)) {	/* 完成一次按键过程 */
		/* wake_up(&dev->r_wait); */
		wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
	}
}




static int keyio_init(void)
{
	unsigned char i = 0;
	char name[10];
	int ret = 0;
	
	imx6uirq.nd = of_find_node_by_path("/key");
	if (imx6uirq.nd== NULL){
		printk("key node not find!rn");
		return -EINVAL;
	} 

	/* 提取GPIO */
	for (i = 0; i private_data = &imx6uirq;	/* 设置私有数据 */
	return 0;
}

 


static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int ret = 0;
	unsigned char keyvalue = 0;
	unsigned char releasekey = 0;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;

#if 0
	/* 加入等待队列，等待被唤醒,也就是有按键按下 */
 	ret = wait_event_interruptible(dev->r_wait, atomic_read(&dev->releasekey)); 
	if (ret) {
		goto wait_error;
	} 
#endif

	DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);	/* 定义一个等待队列 */
	if(atomic_read(&dev->releasekey) == 0) {	/* 没有按键按下 */
		add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);	/* 将等待队列添加到等待队列头 */
		__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/* 设置任务状态 */
		schedule();							/* 进行一次任务切换 */
		if(signal_pending(current))	{			/* 判断是否为信号引起的唤醒 */
			ret = -ERESTARTSYS;
			goto wait_error;
		}
		__set_current_state(TASK_RUNNING);      /* 将当前任务设置为运行状态 */
	    remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);    /* 将对应的队列项从等待队列头删除 */
	}

	keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
	releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);

	if (releasekey) { /* 有按键按下 */	
		if (keyvalue & 0x80) {
			keyvalue &= ~0x80;
			ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
		} else {
			goto data_error;
		}
		atomic_set(&dev->releasekey, 0);/* 按下标志清零 */
	} else {
		goto data_error;
	}
	return 0;

wait_error:
	set_current_state(TASK_RUNNING);		/* 设置任务为运行态 */
	remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);	/* 将等待队列移除 */
	return ret;

data_error:
	return -EINVAL;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = imx6uirq_open,
	.read = imx6uirq_read,
};


static int __init imx6uirq_init(void)
{
	/* 1、构建设备号 */
	if (imx6uirq.major) {
		imx6uirq.devid = MKDEV(imx6uirq.major, 0);
		register_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
	} else {
		alloc_chrdev_region(&imx6uirq.devid, 0, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
		imx6uirq.major = MAJOR(imx6uirq.devid);
		imx6uirq.minor = MINOR(imx6uirq.devid);
	}

	/* 2、注册字符设备 */
	cdev_init(&imx6uirq.cdev, &imx6uirq_fops);
	cdev_add(&imx6uirq.cdev, imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);

	/* 3、创建类 */
	imx6uirq.class = class_create(THIS_MODULE, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.class)) {	
		return PTR_ERR(imx6uirq.class);
	}

	/* 4、创建设备 */
	imx6uirq.device = device_create(imx6uirq.class, NULL, imx6uirq.devid, NULL, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.device)) {
		return PTR_ERR(imx6uirq.device);
	}
		
	/* 5、始化按键 */
	atomic_set(&imx6uirq.keyvalue, INVAKEY);
	atomic_set(&imx6uirq.releasekey, 0);
	keyio_init();
	return 0;
}


static void __exit imx6uirq_exit(void)
{
	unsigned i = 0;
	/* 删除定时器 */
	del_timer_sync(&imx6uirq.timer);	/* 删除定时器 */
		
	/* 释放中断 */	
	for (i = 0; i

编写测试 APP

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "linux/ioctl.h"


int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret = 0;
	char *filename;
	unsigned char data;

	if (argc != 2) {
		printf("Error Usage!rn");
		return -1;
	}

	filename = argv[1];
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if (fd

运行测试

进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 blockio.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令

modprobe blockio.ko //加载驱动

驱动加载成功以后使用如下命令打开 blockioApp 这个测试 APP，并且以后台模式运行：

./blockioApp /dev/blockio &

当按下 KEY0 按键以后 blockioApp 这个测试 APP 就会打印出按键值。输入“top”命令，查看 blockioAPP 这个应用 APP 的 CPU 使用率

我们可以使用“kill”命令关闭后台运行的应用程序，比如我们关闭掉 blockioApp 这个后台运行的应用程序。首先输出“Ctrl+C”关闭 top 命令界面，进入到命令行模式。然后使用“ps” 命令查看一下 blockioApp 这个应用程序的 PID，

使用“kill -9 PID”即可“杀死”指定 PID 的进程，比如我们现在要“杀死”PID 为 149 的 blockioApp 应用程序，可是使用如下命令：

kill -9 149

非阻塞 IO 实验