linux设备驱动程序中的阻塞机制

在 Linux 设备驱动中，​阻塞机制用于管理用户进程在等待设备资源（如数据可读/写、硬件事件）时的休眠与唤醒。通过阻塞机制，驱动可以避免进程忙等待，提升系统效率。以下是阻塞机制的实现原理与核心方法：

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​1. 阻塞与非阻塞模式

• ​阻塞模式（默认）​：当资源不可用时，进程进入休眠状态，直到资源就绪后被唤醒。
• ​非阻塞模式（O_NONBLOCK）​：资源不可用时立即返回 -EAGAIN，进程继续执行其他任务。

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​2. 核心数据结构：等待队列

​(1) 等待队列头

用于管理等待资源的进程列表：

#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>

// 定义并初始化等待队列头
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_wait_queue);

​(2) 等待队列项

表示一个等待的进程：

typedef struct wait_queue_entry wait_queue_entry_t;

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​3. 阻塞机制实现步骤

​(1) 进程休眠

当资源不可用时，将当前进程加入等待队列并休眠：

// 在 read 方法中等待数据可读
ssize_t mydev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
    struct mydev_private *priv = filp->private_data;

    // 非阻塞模式直接返回 -EAGAIN
    if (filp->f_flags & O_NONBLOCK && !priv->data_ready)
        return -EAGAIN;

    // 阻塞模式下等待数据就绪
    wait_event_interruptible(my_wait_queue, priv->data_ready);

    // 数据就绪后继续执行...
    return copy_to_user(buf, priv->buffer, count);
}

​(2) 进程唤醒

当资源可用时（如中断到达），唤醒等待队列中的进程：

// 中断处理函数或数据生产函数中唤醒进程
void data_available_handler(struct mydev_private *priv) {
    priv->data_ready = 1;
    wake_up_interruptible(&my_wait_queue);  // 唤醒等待队列
}

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​4. 关键函数与宏

​(1) 进程休眠函数

• ​wait_event(queue, condition)：不可中断休眠，直到 condition 为真。
• ​wait_event_interruptible(queue, condition)：可被信号中断的休眠。
• ​wait_event_timeout(queue, condition, timeout)：休眠最多 timeout 个时钟周期。

​(2) 进程唤醒函数

• ​wake_up(queue)：唤醒所有等待在队列中的进程。
• ​wake_up_interruptible(queue)：唤醒所有可中断休眠的进程。

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​5. 高级用法：轮询支持（poll 方法）​

为支持 select/poll/epoll 等多路复用接口，需实现 poll 方法：

unsigned int mydev_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait) {
    struct mydev_private *priv = filp->private_data;
    unsigned int mask = 0;

    poll_wait(filp, &my_wait_queue, wait);  // 将进程加入等待队列

    if (priv->data_ready)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;  // 数据可读事件

    return mask;
}

// 在 file_operations 中注册
static struct file_operations mydev_fops = {
    .poll = mydev_poll,
};

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​6. 实现注意事项

​(1) 条件检查的原子性

在检查条件和进入休眠之间需使用锁（如自旋锁）防止竞态：

spin_lock(&priv->lock);
if (!priv->data_ready) {
    spin_unlock(&priv->lock);
    wait_event_interruptible(my_wait_queue, priv->data_ready);
} else {
    spin_unlock(&priv->lock);
}

​(2) 虚假唤醒处理

即使条件未满足，进程也可能被唤醒（如信号中断），需循环检查：

while (!priv->data_ready) {
    wait_event_interruptible(my_wait_queue, priv->data_ready);
}

​(3) 资源释放

在模块卸载时，需唤醒所有等待进程并清理队列：

void __exit mydev_exit(void) {
    wake_up_all(&my_wait_queue);
    // 其他清理操作...
}

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​7. 完整示例：带阻塞的字符设备驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_wait_queue);
static int data_ready = 0;

ssize_t mydev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
    // 非阻塞模式检查
    if (filp->f_flags & O_NONBLOCK && !data_ready)
        return -EAGAIN;

    // 阻塞等待数据就绪
    wait_event_interruptible(my_wait_queue, data_ready);

    // 模拟数据读取
    char data[] = "Hello from kernel!";
    data_ready = 0;  // 重置状态
    return simple_read_from_buffer(buf, count, pos, data, sizeof(data));
}

// 数据到达时唤醒进程（例如在中断中调用）
void data_arrived(void) {
    data_ready = 1;
    wake_up_interruptible(&my_wait_queue);
}

static struct file_operations mydev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = mydev_read,
};

module_init(mydev_init);
module_exit(mydev_exit);

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​总结

• ​阻塞机制核心：等待队列 + 休眠/唤醒函数。
• ​非阻塞支持：检查 O_NONBLOCK 标志并返回 -EAGAIN。
• ​竞态避免：原子性检查条件，使用锁保护共享数据。
• ​多路复用：通过 poll 方法支持 select/epoll。

合理使用阻塞机制，可显著提升驱动性能和用户体验。

参考：

1. Linux内核的驱动阻塞机制_内核怎么实现的阻塞-优快云博客