linux驱动 阻塞IO 等待队列 等待队列入口

阻塞IO主要有两种方式，简单休眠和高级休眠，详细可以参考《linux设备驱动程序》，非阻塞IO比较简单，只需要判断file->f_flags是否设置了O_NONBLOCK标志，如果设置了此标志就是非阻塞IO，内核struct file_operations结构体中对应的函数在资源不可用时直接返回-EAGAIN即可，所以就在阻塞IO例程中加入了非阻塞IO的处理，就不单独讲解了。

一、简单休眠

简单休眠只使用等待队列即可，类型为wait_queue_head_t，当资源不可用时，需要使用宏定义wait_event_interruptible(wq, condition)，这个宏定义展开之后跟下述高级休眠其实是类似的。

先介绍驱动结构，驱动主要针对按键输入，读取按键是否按下，驱动检测到按键按下并松开，才会通知应用发生了一次按键事件。在中断处理函数中，我们调用mod_timer()函数，10毫秒后启动定时器函数，来消抖，定时器处理函数中会调度一次工作队列，因为这里需要用到信号量获取临界区资源，但是定时器处理函数不允许阻塞，所以只能将此放入到工作队列处理函数中执行。之所以需要使用信号量，是因为此按键驱动允许多个应用程序来同时open按键设备文件，并读取按键值。

驱动中read函数代码如下：

static ssize_t blockio_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	struct blockio_dev * dev = (struct blockio_dev *)file->private_data;
	int ret = 0;
	ret = down_interruptible(&dev->sem);
	if(ret){
		return -ERESTARTSYS;
	}

	while(!dev->key_release){
		up(&dev->sem);
		if(file->f_flags & O_NONBLOCK){
			return -EAGAIN;
		}
		//printk("\"%s\" reading: going to sleep.\n", current->comm);
		if(wait_event_interruptible(dev->r_wait, dev->key_release))
			return -ERESTARTSYS;
		if(down_interruptible(&dev->sem))
			return -ERESTARTSYS;
	}
	if(dev->key_release){
		dev->key_release = 0;
		ret = copy_to_user(buf, &dev->key_value, sizeof(dev->key_value));
		if(ret){
			up(&dev->sem);
			return -EFAULT;
		}
		up(&dev->sem);
		return sizeof(dev->key_value);
	}

	up(&dev->sem);
	return 0;
}

可以看到read函数首先获取信号量，成功之后，在临界区使用while循环测试是否有按键按下，如果有，则不进行休眠，直接将按键值拷贝到用户空间，并释放信号量再返回，如果没有按键按下，则释放信号量，如果应用程序非阻塞读，直接返回-EAGAIN，如果阻塞读，则进行休眠，调用wait_event_interruptible宏，休眠的时候会在临界区外读取一下是否有按键按下，如果有，则wait_event_interruptible()直接返回0，不进行休眠，然后接下来down_interruptible()获取信号量，接着while循环再次测试按键是否按下；如果调用wait_event_interruptible时没有按键按下，则直接进行休眠，等待别的进程唤醒，然后获取信号量测试是否有按键按下。

所以，while循环结束后，肯定是按键按下了，并且已经成功竞争到信号量。所以接着调用copy_to_user()函数将按键键值拷贝到用户空间，然后释放信号量。

二、高级休眠

高级休眠和简单休眠的区别在于wait_event_interruptible()宏调用的东西，开发人员需要自己手动调用，优点是支持独占等待（详见ldd） 等简单休眠不支持的操作。

static ssize_t blockio_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	struct blockio_dev * dev = (struct blockio_dev *)file->private_data;
	int ret = 0;
	ret = down_interruptible(&dev->sem);
	if(ret){
		return -ERESTARTSYS;
	}

	while(!dev->key_release){
		DEFINE_WAIT(wait);
		
		up(&dev->sem);
		if(file->f_flags & O_NONBLOCK){
			return -EAGAIN;
		}
		//printk("\"%s\" reading: going to sleep.\n", current->comm);
		prepare_to_wait(&dev->r_wait, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);
		if(!dev->key_release)
			schedule();
		finish_wait(&dev->r_wait, &wait);
		if(signal_pending(current))
			return -ERESTARTSYS;
		if(down_interruptible(&dev->sem))
			return -ERESTARTSYS;
	}
	if(dev->key_release){
		dev->key_release = 0;
		ret = copy_to_user(buf, &dev->key_value, sizeof(dev->key_value));
		if(ret){
			up(&dev->sem);
			return -EFAULT;
		}
		up(&dev->sem);
		return sizeof(dev->key_value);
	}

	up(&dev->sem);
	return 0;
}

可以看到我们只是在while的定义域内声明了DEFINE_WAIT(wait)，并将wait_event_interruptible()宏换成了prepare_to_wait()和finish_wait()以及signal_pending()等调用，其他没有任何更改。注意，在其他地方可能见到，一下这种方式的写法：

while(dev->key_release == 0) { 
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); 
    up(&dev->sem);
    if(file->f_flags | NONBLOCK){
        return -EAGAIN;
    }
    
    add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /* 添加到等待队列头 */ 
    __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/* 设置任务状态 */ 
    if(dev->key_release)
        schedule(); /* 进行一次任务切换 */ 
    __set_current_state(TASK_RUNNING); /*设置为运行状态 */
    remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /*将等待队列移除 */
    if(signal_pending(current)) { /* 判断是否为信号引起的唤醒 */ 
        return -ERESTARTSYS;
    }
    if(down_interruptible(&dev->sem))
		return -ERESTARTSYS;

}

这种接口是老的接口，比较繁琐不推荐使用。我也没有研究，所以写的可能有误。

关于高级休眠的注意点，比较关键的一点是，调度之前一定要对等待条件进行再次判断，也就是schedule()之前的if语句是必须的：

if(!dev->key_release)
	schedule();

详细的原因可以参考ldd，第六章，阻塞IO，我这里简要分析一下：

1.如果我们等待的事件即dev->key_release被置1，在prepare_to_wait(&dev->r_wait, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE)之前发生，那么，其他进程在将dev->key_release置1的同时肯定也调用了wake_up_interruptible()进行唤醒本进程，但是，prepare_to_wait()会将进程状态置为TASK_INTERRUPTIBLE，然后如果if不进行判断，直接调用schedule()则会直接进行休眠，从而丢掉本次被唤醒的机会，进入更长时间的休眠。

2.如果我们等待的事件即dev->key_release被置1，在prepare_to_wait(&dev->r_wait, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE)之后发生，那么，if判断其实没有发挥作用，其他进程在将dev->key_release置1的同时肯定也调用了wake_up_interruptible()进行唤醒本进程，所以prepare_to_wait()设置的TASK_INTERRUPTIBLE，会被其他进程调用的wake_up_interruptible()覆盖，然后即使没有if判断，直接调用schedule()函数也不会引发休眠，而是直接返回。

3..如果我们等待的事件即dev->key_release被置1，在if语句和schedule()函数之间发生，没有任何影响，其实这种情况已经包含在2中了。

完整的代码参见：

https://github.com/sallenkey-wei/I.MX6ull_test/blob/master/IMX6ULL/Drivers/Linux_Drivers/15_blockio/blockio.c

里面包含了一些对定时器，工作队列的设置，以及工作队列函数中关于wake_up_interruptible(&dev->r_wait)函数的调用，另外还有poll函数的实现。