Linux内核IO模型与多路复用技术解析-优快云博客

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1. IO模型

（1）阻塞式IO：不能操作就睡觉
在这里插入图片描述
（2）非阻塞式IO：不能操作就返回错误

（3）IO复用
在这里插入图片描述

（4）信号驱动式IO
在这里插入图片描述

（5）异步IO
在这里插入图片描述

2.阻塞与非阻塞

应用层：
open时由O_NOBLOCK指示read、write是否阻塞
open以后可以由fcntl函数来改变是否阻塞：

flags = fcntl(fd,F_GETFL,0);
flags |= O_NOBLOCK;   //flags &= (~O_NOBLOCK);
fcntl(fd,F_SETFL,flags);

驱动层：通过等待队列

wait_queue_head_t //等待队列头数据类型

init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *pwq) //初始化等待队列头
    
wait_event_interruptible(wq,condition)
/*
功能：条件不成立则让任务进入浅度睡眠，直到条件成立醒来
    wq:等待队列头
    condition：C语言表达式
返回：正常唤醒返回0，信号唤醒返回非0（此时读写操作函数应返回-ERESTARTSYS）
*/
        
wait_event(wq,condition) //深度睡眠

wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *pwq)
        
wake_up(wait_queue_head_t *pwq)
    
    
/*
1. 读、写用不同的等待队列头rq、wq
2. 无数据可读、可写时调用wait_event_interruptible(rq、wq,条件)
3. 写入数据成功时唤醒rq，读出数据成功唤醒wq
*/

驱动代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include "mychar.h"
#define BUF_LEN 100

int major = 11;
int minor = 0;
int mychar_num = 1;


struct mychar_dev
{	
	struct cdev mydev;
	char mydev_buf[BUF_LEN];
	int curlen;
	wait_queue_head_t rq;
	wait_queue_head_t wq;
};

struct mychar_dev gmydev;

int mychar_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	pfile->private_data = (void *)container_of(pnode->i_cdev,struct mychar_dev,mydev);
	printk("mychar_open is called\n");
	return 0;
}
int mychar_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	printk("mychar_close is called\n");
	return 0;
}

ssize_t mychar_read(struct file * pfile,char __user *puser,size_t count,loff_t *p_pos)
{
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;

	if(pmydev->curlen <= 0)
	{
		if(pfile->f_flags & O_NONBLOCK){
		//非阻塞
			printk("O_NONBLOCK NO Data Read\n");
			return -1;
		}else{
		//阻塞
			ret = wait_event_interruptible(pmydev->rq,pmydev->curlen > 0);
			if(ret){
				printk("wake up by signal\n");
				return -ERESTARTSYS;
			}
		}
	}

	if(count > pmydev->curlen)
	{
		size = pmydev->curlen;
	}
	else
	{
		size = count;
	}
	ret = copy_to_user(puser,pmydev->mydev_buf,size);
	if(ret){
		printk("copy_to_user failed\n");
		return -1;
	}
	memcpy(pmydev->mydev_buf,pmydev->mydev_buf + size,pmydev->curlen - size);

	pmydev->curlen -= size;

	wake_up_interruptible(&pmydev->wq);

	return size;
}

ssize_t mychar_write(struct file * pfile,const char __user *puser,size_t count,loff_t *p_pos)
{
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;
	
	if(pmydev->curlen >= BUF_LEN){
		if(pfile->f_flags & O_NONBLOCK){
		//非阻塞	
			printk("O_NONBLOCK can not write data");
			return -1;
		}else{
		//阻塞
			ret = wait_event_interruptible(pmydev->wq,pmydev->curlen < BUF_LEN);
			if(ret){
				printk("wake up by signal\n");
				return -ERESTARTSYS;
			}
		}
	}

	if(count > BUF_LEN - pmydev->curlen){
		size = BUF_LEN - pmydev->curlen;
	}else{
		size = count;
	}
	ret = copy_from_user(pmydev->mydev_buf + pmydev->curlen,puser,size);
	if(ret){
		printk("copy_from_user failed\n");
		return -1;
	}
	pmydev->curlen += size;
	
	wake_up_interruptible(&pmydev->rq);

	return size;
}


long mychar_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
	char __user *pret = (int *)arg;
	int maxlen = BUF_LEN;
	int ret = 0;
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;

	switch(cmd)
	{
		case MY_CHAR_IOCTL_GET_MAXLEN:
			ret = copy_to_user(pret,&maxlen,sizeof(int));
			if(ret){
				printk("copy_to_user maxlen falied\n");
				return -1;
			}
			break;
		case MY_CHAR_IOCTL_GET_CURLEN:
			ret = copy_to_user(pret,&pmydev->curlen,sizeof(int));
			if(ret){
				printk("copy_to_user curlen falied\n");
				return -1;
			}
			break;
		default:
			return -1;

	}
	return 0;
}


struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mychar_open,
	.release = mychar_close,
	.read = mychar_read,
	.write = mychar_write,
	.unlocked_ioctl = mychar_ioctl,
};

int __init mychar_init(void)
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	/*申请设备号*/
	ret = register_chrdev_region(devno,mychar_num,"mychar");
	if(ret){
		ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,mychar_num,"mychar");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		major = MAJOR(devno);
	}
	/*将struct cdev指定操作函数集*/
	cdev_init(&gmydev.mydev,&myops);
	/*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/
	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev,devno,mychar_num);
	
	init_waitqueue_head(&gmydev.rq);
	init_waitqueue_head(&gmydev.wq);

	return 0;
}

void __exit mychar_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	cdev_del(&gmydev.mydev);
	unregister_chrdev_region(devno,mychar_num);
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(mychar_init);
module_exit(mychar_exit);

应用层代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

#include "mychar.h"

int main(int argc,char * argv[])
{
	int ret = 0;
	int fd = -1;
	char buf[8]="";
	int max = 0;
	int cur = 0;
	if(argc < 2){
		printf("the arguement is too few\n");
		return 1;
	}

	fd = open(argv[1],O_RDWR|O_NONBLOCK);
	if(fd < 0){
		printf("open %s failed\n",argv[1]);
		return 2;
	}
	ret = read(fd,buf,8);
	if(ret < 0){
		printf("read data failed\n");
	}else{
		printf("buf = %s\n",buf);
	}
	close(fd);
	return 0;
}

3.多路复用

描述符：

文件描述符:设备文件、管道文件
socket描述符

3.1 应用层：三套接口select、poll、epoll
select：位运算实现监控的描述符数量有限，效率差
poll：链表实现监控的描述符数量不限，效率差
epoll: 效率最差监控的描述符数量不限

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/*	功能：监听多个描述符，阻塞等待有一个或者多个文件描述符，准备就绪。
		内核将没有准备就绪的文件描述符，从集合中清掉了。
	参数：  nfds			最大文件描述符数 ，加1
			readfds		读文件描述符集合
			writefds		写文件描述符集合
			exceptfds		其他异常的文件描述符集合
			timeout		超时时间（NULL）
	返回值：当timeout为NULL时返回0，成功:准备好的文件描述的个数  出错:-1 
		   当timeout不为NULL时，如超时设置为0，则select为非阻塞，超时设置 > 0，则无描述符可被操作的情况下阻塞指定长度的时间 
*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
//功能：将fd 从集合中清除掉

int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
//功能：判断fd 是否存在于集合中
 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
//功能：将fd 添加到集合中

void FD_ZERO(fd_set *set);
//功能：将集合清零

//使用模型:

while(1)
{
    /*得到最大的描述符maxfd*/
    /*FD_ZERO清空描述符集合*/
	/*将被监控描述符加到相应集合rfds里  FD_SET*/
    /*设置超时*/
    ret = select(maxfd+1,&rfds,&wfds,NULL,NULL);
    if(ret < 0)
    {
        if(errno == EINTR)//错误时信号引起的
        {
        	continue;   
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    else if(ret == 0)
    {//超时
        //.....
    }
    else
    { //> 0 ret为可被操作的描述符个数
        if(FD_ISSET(fd1,&rfds))
        {//读数据
            //....
        }
        if(FD_ISSET(fd2,&rfds))
        {//读数据
            //....
        }
        ///.....
        if(FD_ISSET(fd1,&wfds))
        {//写数据
            //....
        }
    }
}

3.2 驱动层：实现poll函数

void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)；
/*功能：将等待队列头添加至poll_table表中
  参数：struct file :设备文件
  Wait_queue_head_t :等待队列头
  Poll_table :poll_table表
*/

/*该函数与select、poll、epoll_wait函数相对应，协助这些多路监控函数判断本设备是否有数据可读写*/
unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait) //函数名初始化给struct file_operations的成员.poll
{
    unsigned int mask = 0;
    /*
    	1. 将所有等待队列头加入poll_table表中
    	2. 判断是否可读，如可读则mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    	3. 判断是否可写，如可写则mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
    */
    
    return mask;
}

unsigned int mychar_poll(struct file *pfile,poll_table *ptb)
{
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	unsigned int mask = 0;
	poll_wait(pfile,&pmydev->rq,ptb);
	poll_wait(pfile,&pmydev->wq,ptb);
	if(pmydev->curlen > 0){
		mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
	}
	if(pmydev->curlen < BUF_LEN){
		mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
	}
	return mask;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mychar_open,
	.release = mychar_close,
	.read = mychar_read,
	.write = mychar_write,
	.unlocked_ioctl = mychar_ioctl,
	.poll = mychar_poll,
};

4. 信号驱动

4.1 应用层：信号注册+ fcntl

signal(SIGIO, input_handler); //注册信号处理函数

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());//将描述符设置给对应进程，好由描述符获知PID

oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, oflags | FASYNC);//将该设备的IO模式设置成信号驱动模式

void input_handler(int signum)//应用自己实现的信号处理函数，在此函数中完成读写
{
    //读数据
}

//应用模板
int main()
{
	int fd = open("/dev/xxxx",O_RDONLY);

	fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

	oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
	fcntl(fd, F_SETFL, oflags | FASYNC);

	signal(SIGIO,xxxx_handler);

	//......
}
    
void xxxx_handle(int signo)
{//读写数据
    
}

4.2 驱动层：实现fasync函数

/*设备结构中添加如下成员*/
struct fasync_struct *pasync_obj;

/*应用调用fcntl设置FASYNC时调用该函数产生异步通知结构对象，并将其地址设置到设备结构成员中*/
static int hello_fasync(int fd, struct file *filp, int mode) //函数名初始化给struct file_operations的成员.fasync
{
	struct hello_device *dev = filp->private_data; 
	return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->pasync_obj);
}

/*写函数中有数据可读时向应用层发信号*/
if (dev->pasync_obj)
       kill_fasync(&dev->pasync_obj, SIGIO, POLL_IN);
       
/*release函数中释放异步通知结构对象*/
if (dev->pasync_obj) 
	fasync_helper(-1, filp, 0, &dev->pasync_obj);

int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **pp);
/*
	功能：产生或释放异步通知结构对象
	参数：
	返回值：成功为>=0,失败负数
*/

void kill_fasync(struct fasync_struct **, int, int);
/*	
	功能：发信号
	参数：
		struct fasync_struct ** 指向保存异步通知结构地址的指针
		int 	信号 SIGIO/SIGKILL/SIGCHLD/SIGCONT/SIGSTOP
		int 	读写信息POLLIN、POLLOUT
*/