linux poll、epoll驱动层应用层示例，实现高精度任务处理

在 Linux 中，poll 和 epoll 的驱动层与应用层协作需要内核模块提供事件通知机制（如数据可读/可写），应用层通过文件描述符监控这些事件。以下是驱动层和应用层的完整实现示例及原理说明：

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一、驱动层实现（内核模块）

1. 驱动核心逻辑

• 目标: 创建一个字符设备 /dev/mypoll，当写入数据时触发可读事件。

• 关键技术:

  • 实现 file_operations.poll 方法，通过等待队列（wait_queue_head_t）管理阻塞的进程。

  • 使用 wake_up_interruptible 唤醒等待队列，通知应用层事件就绪。

2. 完整代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/device.h>

#define DEVICE_NAME "mypoll"

static int major;
static struct class *cls;
static struct device *dev;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wq); // 等待队列
static bool data_ready = false;     // 数据就绪标志
static char buffer[256];            // 模拟数据缓冲区

// ------------------------- 文件操作函数 -------------------------
static ssize_t dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
    if (copy_to_user(buf, buffer, strlen(buffer))) 
        return -EFAULT;
    data_ready = false; // 读取后重置标志
    return strlen(buffer);
}

static ssize_t dev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
    if (copy_from_user(buffer, buf, count))
        return -EFAULT;
    data_ready = true; // 写入后设置标志
    wake_up_interruptible(&wq); // 唤醒等待队列
    return count;
}

static unsigned int dev_poll(struct file *filp, poll_table *wait) {
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(filp, &wq, wait); // 将进程加入等待队列
    if (data_ready)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM; // 标记可读事件
    return mask;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = dev_read,
    .write = dev_write,
    .poll = dev_poll,
};

// ------------------------- 模块初始化/卸载 -------------------------
static int __init mypoll_init(void) {
    major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    cls = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
    dev = device_create(cls, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, DEVICE_NAME);
    return 0;
}

static void __exit mypoll_exit(void) {
    device_destroy(cls, MKDEV(major, 0));
    class_destroy(cls);
    unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
}

module_init(mypoll_init);
module_exit(mypoll_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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二、应用层示例

1. 使用 poll 监控设备

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <poll.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/mypoll", O_RDWR);
    struct pollfd fds = { .fd = fd, .events = POLLIN };

    while (1) {
        int ret = poll(&fds, 1, 5000); // 5秒超时
        if (ret == -1) {
            perror("poll");
            break;
        } else if (ret == 0) {
            printf("Timeout\n");
            continue;
        }

        if (fds.revents & POLLIN) {
            char buf[256];
            ssize_t len = read(fd, buf, sizeof(buf));
            printf("Data received: %.*s\n", (int)len, buf);
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

2. 使用 epoll 监控设备（边缘触发模式）

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/mypoll", O_RDWR | O_NONBLOCK);
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event ev = { .events = EPOLLIN | EPOLLET }, events[1];

    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);

    while (1) {
        int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, 1, 5000);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait");
            break;
        } else if (nfds == 0) {
            printf("Timeout\n");
            continue;
        }

        for (int i = 0; i < nfds; i++) {
            if (events[i].events & EPOLLIN) {
                char buf[256];
                ssize_t len;
                while ((len = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) { // 必须读空缓冲区
                    printf("Data received (ET): %.*s\n", (int)len, buf);
                }
                if (len == -1 && errno != EAGAIN) {
                    perror("read");
                }
            }
        }
    }

    close(epoll_fd);
    close(fd);
    return 0;
}

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三、交互测试步骤

1. 编译与加载驱动

# 编译内核模块
make
sudo insmod mypoll.ko

# 创建设备节点（若未自动创建）
sudo mknod /dev/mypoll c $(cat /proc/devices | grep mypoll | awk '{print $1}') 0

2. 运行应用程序

# 使用 poll 监控
gcc poll_app.c -o poll_app
./poll_app

# 使用 epoll 监控
gcc epoll_app.c -o epoll_app
./epoll_app

3. 触发事件

# 另开终端写入数据
echo "Hello from driver" | sudo tee /dev/mypoll

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四、核心原理说明

层级	关键动作	协作逻辑
驱动层	1. 实现 poll 方法，管理等待队列	当应用层调用 poll/epoll 时，内核通过驱动层的 poll 检查设备状态。若数据未就绪，进程被加入等待队列。
	2. 数据写入后调用 wake_up_interruptible	驱动写入数据时唤醒队列，通知应用层事件就绪。
应用层	1. 调用 poll/epoll_wait 阻塞等待事件	内核检测到事件就绪后，唤醒应用层进程，返回就绪的文件描述符。
	2. 处理就绪事件（如读取数据）	应用层通过 read 读取驱动数据，驱动层重置状态标志。

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五、关键注意事项

1. 驱动层同步:

   • 使用 wait_queue_head_t 和自旋锁保护共享数据（如 data_ready）。

   • 避免在中断上下文中直接调用 wake_up，应使用 wake_up_interruptible。

2. 应用层非阻塞模式:

   • 边缘触发（ET）模式下，必须将文件描述符设置为非阻塞（O_NONBLOCK），并循环读取直到返回 EAGAIN。

3. 事件类型选择:

   • 驱动层返回 POLLIN 表示可读，POLLOUT 表示可写。

   • 异常事件使用 POLLERR 或 POLLHUP。

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通过以上实现，驱动层与应用层可通过 poll/epoll 实现高效的事件驱动交互，适用于传感器数据采集、异步通知等场景。