【转】Linux-2.6.25 select系统调用源码分析

转自：http://zhangyafeikimi.iteye.com/blog/248815

Linux 2.6.25中的select系统调用 

主要有4个函数: 
sys_select：处理时间参数，调用core_sys_select。 
core_sys_select：处理三个fd_set参数，调用do_select。 
do_select：做select/poll的工作。在合适的时机把自己挂起等待，调用sock_poll。 
sock_poll：用函数指针分派到具体的协议层函数tcp_poll、udp_poll、datagram_poll。 
层层分工明确，我也要多学习这种方式啊。 

C代码  

1. /* 
2. sys_select(fs/select.c) 
3. 处理了超时值（如果有）,将struct timeval转换成了时钟周期数,调用core_sys_select,然后检查剩余时间,处理时间 
4. */  
5. asmlinkage long sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,  
6.                            fd_set __user *exp, struct timeval __user *tvp)  
7. {  
8.     s64 timeout = -1;  
9.     struct timeval tv;  
10.     int ret;  
11.   
12.     if (tvp) {/*如果有超时值*/  
13.         if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv)))  
14.             return -EFAULT;  
15.   
16.         if (tv.tv_sec < 0 || tv.tv_usec < 0)/*时间无效*/  
17.             return -EINVAL;  
18.   
19.         /* Cast to u64 to make GCC stop complaining */  
20.         if ((u64)tv.tv_sec >= (u64)MAX_INT64_SECONDS)  
21.             timeout = -1;   /* 无限等待*/  
22.         else {  
23.             timeout = DIV_ROUND_UP(tv.tv_usec, USEC_PER_SEC/HZ);  
24.             timeout += tv.tv_sec * HZ;/*计算出超时的相对时间,单位为时钟周期数*/  
25.         }  
26.     }  
27.   
28.     /*主要工作都在core_sys_select中做了*/  
29.     ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, &timeout);  
30.   
31.     if (tvp) {/*如果有超时值*/  
32.         struct timeval rtv;  
33.   
34.         if (current->personality & STICKY_TIMEOUTS)/*模拟bug的一个机制,不详细描述*/  
35.             goto sticky;  
36.         /*rtv中是剩余的时间*/  
37.         rtv.tv_usec = jiffies_to_usecs(do_div((*(u64*)&timeout), HZ));  
38.         rtv.tv_sec = timeout;  
39.         if (timeval_compare(&rtv, &tv) >= 0)/*如果core_sys_select超时返回,更新时间*/  
40.             rtv = tv;  
41.         /*拷贝更新后的时间到用户空间*/  
42.         if (copy_to_user(tvp, &rtv, sizeof(rtv))) {  
43. sticky:  
44.             /* 
45.             * If an application puts its timeval in read-only 
46.             * memory, we don't want the Linux-specific update to 
47.             * the timeval to cause a fault after the select has 
48.             * completed successfully. However, because we're not 
49.             * updating the timeval, we can't restart the system 
50.             * call. 
51.             */  
52.             if (ret == -ERESTARTNOHAND)/*ERESTARTNOHAND表明,被中断的系统调用*/  
53.                 ret = -EINTR;  
54.         }  
55.     }  
56.   
57.     return ret;  
58. }  
59.   
60.   
61.   
62.   
63.   
64.   
65. /*core_sys_select 
66. 为do_select准备好了位图,然后调用do_select,将返回的结果集,返回到用户空间 
67. */  
68. static int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,  
69.                            fd_set __user *exp, s64 *timeout)  
70. {  
71.     fd_set_bits fds;  
72.     void *bits;  
73.     int ret, max_fds;  
74.     unsigned int size;  
75.     struct fdtable *fdt;  
76.     /* Allocate small arguments on the stack to save memory and be faster */  
77.   
78.     /*SELECT_STACK_ALLOC 定义为256*/  
79.     long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];  
80.   
81.     ret = -EINVAL;  
82.     if (n < 0)  
83.         goto out_nofds;  
84.   
85.     /* max_fds can increase, so grab it once to avoid race */  
86.     rcu_read_lock();  
87.     fdt = files_fdtable(current->files);/*获取当前进程的文件描述符表*/  
88.     max_fds = fdt->max_fds;  
89.     rcu_read_unlock();  
90.     if (n > max_fds)/*修正用户传入的第一个参数：fd_set中文件描述符的最大值*/  
91.         n = max_fds;  
92.   
93.     /* 
94.     * We need 6 bitmaps (in/out/ex for both incoming and outgoing), 
95.     * since we used fdset we need to allocate memory in units of 
96.     * long-words.  
97.     */  
98.   
99.     /* 
100.     如果stack_fds数组的大小不能容纳下所有的fd_set,就用kmalloc重新分配一个大数组。 
101.     然后将位图平均分成份,并初始化fds结构 
102.     */  
103.     size = FDS_BYTES(n);  
104.     bits = stack_fds;  
105.     if (size > sizeof(stack_fds) / 6) {  
106.         /* Not enough space in on-stack array; must use kmalloc */  
107.         ret = -ENOMEM;  
108.         bits = kmalloc(6 * size, GFP_KERNEL);  
109.         if (!bits)  
110.             goto out_nofds;  
111.     }  
112.     fds.in      = bits;  
113.     fds.out     = bits +   size;  
114.     fds.ex      = bits + 2*size;  
115.     fds.res_in  = bits + 3*size;  
116.     fds.res_out = bits + 4*size;  
117.     fds.res_ex  = bits + 5*size;  
118.   
119.     /*get_fd_set仅仅调用copy_from_user从用户空间拷贝了fd_set*/  
120.     if ((ret = get_fd_set(n, inp, fds.in)) ||  
121.         (ret = get_fd_set(n, outp, fds.out)) ||  
122.         (ret = get_fd_set(n, exp, fds.ex)))  
123.         goto out;  
124.   
125.     zero_fd_set(n, fds.res_in);  
126.     zero_fd_set(n, fds.res_out);  
127.     zero_fd_set(n, fds.res_ex);  
128.   
129.   
130.     /* 
131.     接力棒传给了do_select 
132.     */  
133.     ret = do_select(n, &fds, timeout);  
134.   
135.     if (ret < 0)  
136.         goto out;  
137.   
138.     /*do_select返回,是一种异常状态*/  
139.     if (!ret) {  
140.         /*记得上面的sys_select不？将ERESTARTNOHAND转换成了EINTR并返回。EINTR表明系统调用被中断*/  
141.         ret = -ERESTARTNOHAND;  
142.         if (signal_pending(current))/*当当前进程有信号要处理时,signal_pending返回真,这符合了EINTR的语义*/  
143.             goto out;  
144.         ret = 0;  
145.     }  
146.   
147.     /*把结果集,拷贝回用户空间*/  
148.     if (set_fd_set(n, inp, fds.res_in) ||  
149.         set_fd_set(n, outp, fds.res_out) ||  
150.         set_fd_set(n, exp, fds.res_ex))  
151.         ret = -EFAULT;  
152.   
153. out:  
154.     if (bits != stack_fds)  
155.         kfree(bits);/*对应上面的kmalloc*/  
156. out_nofds:  
157.     return ret;  
158. }  
159.   
160.   
161.   
162.   
163.   
164.   
165.   
166.   
167. /*do_select 
168. 真正的select在此,遍历了所有的fd,调用对应的xxx_poll函数 
169. */  
170. int do_select(int n, fd_set_bits *fds, s64 *timeout)  
171. {  
172.     struct poll_wqueues table;  
173.     poll_table *wait;  
174.     int retval, i;  
175.   
176.     rcu_read_lock();  
177.     /*根据已经打开fd的位图检查用户打开的fd, 要求对应fd必须打开, 并且返回最大的fd*/  
178.     retval = max_select_fd(n, fds);  
179.     rcu_read_unlock();  
180.   
181.     if (retval < 0)  
182.         return retval;  
183.     n = retval;  
184.   
185.   
186.     /*将当前进程放入自已的等待队列table, 并将该等待队列加入到该测试表wait*/  
187.     poll_initwait(&table);  
188.     wait = &table.pt;  
189.   
190.     if (!*timeout)  
191.         wait = NULL;  
192.     retval = 0;  
193.   
194.     for (;;) {/*死循环*/  
195.         unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;  
196.         long __timeout;  
197.   
198.         /*注意:可中断的睡眠状态*/  
199.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  
200.   
201.         inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;  
202.         rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;  
203.   
204.   
205.         for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {/*遍历所有fd*/  
206.             unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;  
207.             unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;  
208.             const struct file_operations *f_op = NULL;  
209.             struct file *file = NULL;  
210.   
211.             in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;  
212.             all_bits = in | out | ex;  
213.             if (all_bits == 0) {  
214.                 /* 
215.                 __NFDBITS定义为(8 * sizeof(unsigned long)),即long的位数。 
216.                 因为一个long代表了__NFDBITS位，所以跳到下一个位图i要增加__NFDBITS 
217.                 */  
218.                 i += __NFDBITS;  
219.                 continue;  
220.             }  
221.   
222.             for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {  
223.                 int fput_needed;  
224.                 if (i >= n)  
225.                     break;  
226.   
227.                 /*测试每一位*/  
228.                 if (!(bit & all_bits))  
229.                     continue;  
230.   
231.                 /*得到file结构指针，并增加引用计数字段f_count*/  
232.                 file = fget_light(i, &fput_needed);  
233.                 if (file) {  
234.                     f_op = file->f_op;  
235.                     mask = DEFAULT_POLLMASK;  
236.   
237.                     /*对于socket描述符,f_op->poll对应的函数是sock_poll 
238.                     注意第三个参数是等待队列，在poll成功后会将本进程唤醒执行*/  
239.                     if (f_op && f_op->poll)  
240.                         mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);  
241.   
242.                     /*释放file结构指针，实际就是减小他的一个引用计数字段f_count*/  
243.                     fput_light(file, fput_needed);  
244.   
245.                     /*根据poll的结果设置状态,要返回select出来的fd数目，所以retval++。 
246.                     注意：retval是in out ex三个集合的总和*/  
247.                     if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {  
248.                         res_in |= bit;  
249.                         retval++;  
250.                     }  
251.                     if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {  
252.                         res_out |= bit;  
253.                         retval++;  
254.                     }  
255.                     if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {  
256.                         res_ex |= bit;  
257.                         retval++;  
258.                     }  
259.                 }  
260.   
261.                 /* 
262.                 注意前面的set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 
263.                 因为已经进入TASK_INTERRUPTIBLE状态,所以cond_resched回调度其他进程来运行， 
264.                 这里的目的纯粹是为了增加一个抢占点。被抢占后，由等待队列机制唤醒。 
265.  
266.                 在支持抢占式调度的内核中（定义了CONFIG_PREEMPT），cond_resched是空操作 
267.                 */   
268.                 cond_resched();  
269.             }  
270.             /*根据poll的结果写回到输出位图里*/  
271.             if (res_in)  
272.                 *rinp = res_in;  
273.             if (res_out)  
274.                 *routp = res_out;  
275.             if (res_ex)  
276.                 *rexp = res_ex;  
277.         }  
278.         wait = NULL;  
279.         if (retval || !*timeout || signal_pending(current))/*signal_pending前面说过了*/  
280.             break;  
281.         if(table.error) {  
282.             retval = table.error;  
283.             break;  
284.         }  
285.   
286.         if (*timeout < 0) {  
287.             /*无限等待*/  
288.             __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;  
289.         } else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1)) {  
290.             /* 时间超过MAX_SCHEDULE_TIMEOUT,即schedule_timeout允许的最大值，用一个循环来不断减少超时值*/  
291.             __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;  
292.             *timeout -= __timeout;  
293.         } else {  
294.             /*等待一段时间*/  
295.             __timeout = *timeout;  
296.             *timeout = 0;  
297.         }  
298.   
299.         /*TASK_INTERRUPTIBLE状态下，调用schedule_timeout的进程会在收到信号后重新得到调度的机会， 
300.         即schedule_timeout返回,并返回剩余的时钟周期数 
301.         */  
302.         __timeout = schedule_timeout(__timeout);  
303.         if (*timeout >= 0)  
304.             *timeout += __timeout;  
305.     }  
306.   
307.     /*设置为运行状态*/  
308.     __set_current_state(TASK_RUNNING);  
309.     /*清理等待队列*/  
310.     poll_freewait(&table);  
311.   
312.     return retval;  
313. }  
314.   
315.   
316. static unsigned int sock_poll(struct file *file, poll_table *wait)  
317. {  
318.     struct socket *sock;  
319.   
320.     /*约定socket的file->private_data字段放着对应的socket结构指针*/  
321.     sock = file->private_data;  
322.   
323.     /*对应了三个协议的函数tcp_poll,udp_poll,datagram_poll，其中udp_poll几乎直接调用了datagram_poll 
324.     累了，先休息一下，这三个函数以后分析*/  
325.     return sock->ops->poll(file, sock, wait);  
326. }  

其他重要函数一览 
static int max_select_fd(unsigned long n, fd_set_bits *fds) 
返回在fd_set中已经打开的，并且小于用户指定最大值，的fd 

static inline int get_fd_set(unsigned long nr, void __user *ufdset, unsigned long *fdset) 
从用户空间拷贝fd_set到内核 

static inline void zero_fd_set(unsigned long nr, unsigned long *fdset) 
把fd_set清零 

static inline unsigned long __must_check set_fd_set(unsigned long nr, void __user *ufdset, unsigned long *fdset) 
把fd_set拷贝回用户空间 


static inline int signal_pending(struct task_struct *p) 
目前进程有信号需要处理 

struct file *fget_light(unsigned int fd, int *fput_needed) 
由fd得到其对应的file结构指针，并增加其引用计数 

static inline void fput_light(struct file *file, int fput_needed) 
释放由fget_light得到的file结构指针，减少其引用计数 

set_current_state 
设置当前进程的状态 

static inline int cond_resched(void) 
判断是否有进程需要抢占当前进程，如果是将立即发生调度。就是额外增加一个抢占点。 

signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout) 
当前进程睡眠timeout个jiffies 

rcu_read_lock 
rcu_read_unlock 
Linux 2.6新加入的rcu锁。读锁的加锁、解锁函数 
参考http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-rcu 


poll_freewait 
poll_initwait 
poll_wait 
... 
和文件IO，poll机制有关的几个函数，参考《Linux设备驱动(第三版)》6.3 

tcp_poll 
udp_poll 
datagram_poll 
协议层的poll函数