Linux驱动中completion接口浅析(wait_for_complete例子,很好)

本文详细介绍了Linux内核中的Completion机制,包括其定义、使用方法及如何通过宏进行静态和动态创建。并通过实例展示了如何利用Completion机制实现进程间的同步,特别是在读写进程间的应用。


        completion是一种轻量级的机制,它允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成。可以利用下面的宏静态创建completion:
                         DECLARE_COMPLETION(my_completion); 
       

        如果运行时创建completion,则必须采用以下方法动态创建和初始化:
                         struct compltion my_completion;
                          init_completion(&my_completion);

        completion的相关定义包含在kernel/include/linux/completion.h中:

                        struct completion {
                                     unsigned int done;
                                     wait_queue_head_t wait;
                         };


#define COMPLETION_INITIALIZER(work) /
                                                           { 0, __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER((work).wait) }

#define DECLARE_COMPLETION(work) /
                                                      struct completion work = COMPLETION_INITIALIZER(work)

static inline void init_completion(struct completion *x)
{
          x->done = 0;
          init_waitqueue_head(&x->wait);
}

       要等待completion,可进行如下调用:
                    void wait_for_completion(struct completion *c);

       触发completion事件,调用:
                   void complete(struct completion *c);    //唤醒一个等待线程
                   void complete_all(struct completion *c);//唤醒所有的等待线程

        为说明completion的使用方法,将《Linux设备驱动程序》一书中的complete模块的代码摘抄如下:
/*
* complete.c -- the writers awake the readers
*
* Copyright (C) 2003 Alessandro Rubini and Jonathan Corbet
* Copyright (C) 2003 O'Reilly & Associates
*
* The source code in this file can be freely used, adapted,
* and redistributed in source or binary form, so long as an
* acknowledgment appears in derived source files.    The citation
* should list that the code comes from the book "Linux Device
* Drivers" by Alessandro Rubini and Jonathan Corbet, published
* by O'Reilly & Associates.     No warranty is attached;
* we cannot take responsibility for errors or fitness for use.
*
* $Id: complete.c,v 1.2 2004/09/26 07:02:43 gregkh Exp $
*/

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

#include <linux/sched.h>   /* current and everything */
#include <linux/kernel.h> /* printk() */
#include <linux/fs.h>      /* everything... */
#include <linux/types.h>   /* size_t */
#include <linux/completion.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int complete_major = 253;//指定主设备号

DECLARE_COMPLETION(comp);

ssize_t complete_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
         printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) going to sleep/n",
         current->pid, current->comm);
         wait_for_completion(&comp);
         printk(KERN_DEBUG "awoken %i (%s)/n", current->pid, current->comm);
         return 0; /* EOF */
}

ssize_t complete_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
    loff_t *pos)
{
         printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) awakening the readers.../n",
         current->pid, current->comm);
         complete(&comp);
         return count; /* succeed, to avoid retrial */
}


struct file_operations complete_fops = {
         .owner = THIS_MODULE,
         .read =    complete_read,
         .write = complete_write,
};


int complete_init(void)
{
         int result;

/*
    * Register your major, and accept a dynamic number
    */
        result = register_chrdev(complete_major, "complete", &complete_fops);
        if (result < 0)
                return result;
        if (complete_major == 0)
                complete_major = result; /* dynamic */
        return 0;
}

void complete_cleanup(void)
{
         unregister_chrdev(complete_major, "complete");
}

module_init(complete_init);
module_exit(complete_cleanup);


        该模块定义了一个简单的completion设备:任何试图从该设备中读取的进程都将等待,直到其他设备写入该设备为止。编译此模块的Makefile如下:
obj-m := complete.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.c

在linux终端中执行以下命令,编译生成模块,并进行动态加载。
#make
#mknod completion c 253 0
#insmod complete.ko
再打开三个终端,一个用于读进程:
#cat completion
一个用于写进程:
#echo >completion
另一个查看系统日志:
#tail -f /var/log/messages

         值得注意的是,当我们使用的complete_all接口时,如果要重复使用一个completion结构,则必须执行 INIT_COMPLETION(struct completion c)来重新初始化它。可以在kernel/include/linux/completion.h中找到这个宏的定义:
          #define INIT_COMPLETION(x) ((x).done = 0)

        以下代码对书中原有的代码进行了一番变动,将唤醒接口由原来的complete换成了complete_all,并且为了重复利用completion结构,所有读进程都结束后就重新初始化completion结构,具体代码如下:
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/completion.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#undef KERN_DEBUG
#define KERN_DEBUG "<1>"

static int complete_major=253;
static int reader_count = 0;

DECLARE_COMPLETION(comp);

ssize_t complete_read (struct file *filp,char __user *buf,size_t count,loff_t *pos)
{
           printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) going to sleep,waiting for writer/n",current->pid,current->comm);
           reader_count++;
           printk(KERN_DEBUG "In read ,before comletion: reader count = %d /n",reader_count);
           wait_for_completion(&comp);
           reader_count--;
           printk(KERN_DEBUG "awoken %s (%i) /n",current->comm,current->pid);
           printk(KERN_DEBUG "In read,after completion : reader count = %d /n",reader_count);

/*如果使用complete_all,则completion结构只能用一次,再次使用它时必须调用此宏进行重新初始化*/
           if(reader_count == 0)
                       INIT_COMPLETION(comp);

           return 0;
}

ssize_t complete_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t *pos)
{
           printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) awoking the readers.../n",current->pid,current->comm);
           printk(KERN_DEBUG "In write ,before do complete_all : reader count = %d /n",reader_count);

           if(reader_count != 0)  
                   complete_all(&comp);

           printk(KERN_DEBUG "In write ,after do complete_all : reader count = %d /n",reader_count);

           return count;
}

struct file_operations complete_fops={
           .owner = THIS_MODULE,
           .read = complete_read,
           .write = complete_write,
};

int complete_init(void)
{
           int result;

           result=register_chrdev(complete_major,"complete",&complete_fops);
           if(result<0)
                    return result;
           if(complete_major==0)
                   complete_major =result;

           printk(KERN_DEBUG    "complete driver test init! complete_major=%d/n",complete_major);
           printk(KERN_DEBUG "静态初始化completion/n");

           return 0;
}

void complete_exit(void)
{
           unregister_chrdev(complete_major,"complete");
           printk(KERN_DEBUG    "complete driver    is removed/n");
}

module_init(complete_init);
module_exit(complete_exit);

这里测试步骤和上述一样,只不过需要多打开几个终端来执行多个进程同时读操作。

____________

参考资料:
1.Jonathan Corbet等著,魏永明等译.linux设备驱动程序(第三版)
2.Linux Kernel

`wait_for_completion()` 是 Linux 内核中用于线程同步的重要函数之一,主要用于等待某个异步操作的完成。它通常与 `struct completion` 结构体配合使用,该结构体维护了一个计数器,用于跟踪操作是否已经完成。 ### 函数原型 ```c void wait_for_completion(struct completion *completion); ``` 当调用 `wait_for_completion()` 时,如果 `struct completion` 中的计数器为 0,则当前线程会被阻塞,直到其他线程通过调用 `complete()` 或 `complete_all()` 来增加计数器并唤醒等待的线程[^1]。这种方式非常适合用于多线程环境中的任务协调,例如在内核模块中等待某个驱动程序初始化完成,或者在设备驱动中等待 I/O 操作结束。 ### 示例代码 以下是一个简单的示例,演示了如何使用 `wait_for_completion()` 和 `complete()`: ```c #include <linux/completion.h> #include <linux/kthread.h> #include <linux/module.h> static struct completion comp; static struct task_struct *task; static int worker_thread(void *data) { // 模拟一些工作 ssleep(5); // 线程休眠5秒 // 完成操作,唤醒等待的线程 complete(&comp); return 0; } static int __init my_module_init(void) { init_completion(&comp); // 创建一个内核线程 task = kthread_run(worker_thread, NULL, "worker_thread"); if (IS_ERR(task)) { printk(KERN_ERR "Failed to create kernel thread\n"); return PTR_ERR(task); } // 等待线程完成 wait_for_completion(&comp); printk(KERN_INFO "Worker thread has completed\n"); return 0; } static void __exit my_module_exit(void) { printk(KERN_INFO "Module exited\n"); } module_init(my_module_init); module_exit(my_module_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("A simple example of wait_for_completion in the Linux kernel"); ``` 在这个示例中,主模块启动了一个内核线程来执行某些任务,并通过 `wait_for_completion()` 等待该任务完成。一旦工作线程调用了 `complete()`,主线程就会被唤醒并继续执行。 ### 使用场景 `wait_for_completion()` 常用于以下几种情况: - **内核线程间的同步**:确保某个线程的任务完成后才继续执行后续操作。 - **设备驱动**:等待硬件操作(如 DMA 传输)完成。 - **模块加载/卸载**:确保某些资源在模块卸载前已经被正确释放。 此外,Linux 内核还提供了 `wait_for_completion_timeout()` 和 `wait_for_completion_interruptible()` 等变体函数,分别支持超时等待和可中断等待,以满足不同的需求[^2]。 ###
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