Linux第86步_了解“阻塞和非阻塞IO”以及相关处理函数

本文主要是介绍Linux第86步_了解“阻塞和非阻塞IO”以及相关处理函数，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1、IO

“应用程序”对“驱动设备“进行输入/输出操作，简称IO操作，它是Input和Output的缩写。

2、阻塞IO

阻塞IO是“应用程序”对“驱动设备”进行操作，若不能获取到设备资源，则阻塞IO应用程序的线程会被“挂起”，直到获取到设备资源为止。

“挂起”就是让线程进入休眠，将CPU的资源让出来。线程进入休眠后，当设备文件可以操作时，就必须唤醒这个休眠的线程。通常是在中断函数里完成唤醒工作，Linux内核是采用“等待队列（wait queue）”来完成阻塞线程的唤醒工作。

阻塞IO应用举例：

int fd;

int data = 0;

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR);    /* 以阻塞方式打开 */

ret = read(fd, &data, sizeof(data));  /* 读取数据 */

3、非阻塞IO

非阻塞IO是“应用程序”对“驱动设备”进行操作，若不能获取到设备资源，则非阻塞IO应用程序的线程不会被“挂起”，即线程不进入休眠，而是一直“轮询”，直到获取到设备资源为止，或者直接放弃。

非阻塞IO应用举例：

int fd;

int data = 0;

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK);

/* 非阻塞方式打开 */

/*O_NONBLOCK表示如果路径名指向FIFO/块文字/字符文件，则把文件打开和后继I/O设置为非阻塞*/
ret = read( fd, &data, sizeof(data) );           /* 读取数据 */

4、等待队列

wait_queue_head结构体，需要包含头文件“#include <linux/wait.h>”

struct wait_queue_head {

  spinlock_t lock;

  struct list_head head;

};

typedef struct wait_queue_head  wait_queue_head_t;

//给“wait_queue_head”起个别名叫“wait_queue_head_t”

//目的是兼容老版本的代码

初始化“等待队列头”

void init_waitqueue_head(struct wait_queue_head *wq_head)

//wq_head是要初始化的“等待队列头”

//使用宏 DECLARE WAIT OUEUE HEAD一次性完成等待队列头的定义和初始化

“等待队列头”是等待队列的头部，每个访问设备的进程都是一个队列项，当不能获取到设备资源的时候，就要将“进程对应的队列项”添加到“等待队列”里面。

wait_queue_entry结构体如下：

struct wait_queue_entry {

    unsigned int      flags;

    void          *private;

    wait_queue_func_t func;

    struct list_head  entry;

};

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

//给“当前正在运行的进程tsk”创建并初始化一个“等待队列项name”

//name就是等待队列项的名字

//tsk表示这个等待队列项属于哪个任务(进程)，一般设置为current

注意：

在Linux内核中current相当于一个全局变量，表示当前进程；

void add_wait_queue( struct wait_queue_head   *wq_head,

                     struct wait_queue_entry  *wq_entry)

//将“等待队列项wq_entry”添加到“等待队列头wq_head”，允许进程睡眠；

//wq_head：“等待队列项”要加入的“等待队列头”

//wq_entry：要加入的“等待队列项”

void remove_wait_queue( struct wait_queue_head *wq_head,

                        struct wait_queue_entry *wq_entry)

//将“等待队列项wq_entry”从“等待队列头wq_head”中删除，允许访问设备

//wq head：要删除的“等待队列项”所处的“等待队列头”

//wq_entry：要删除的“等待队列项”

等待唤醒1

void wake_up(struct wait_queue_head *wq_head)

//由“驱动程序”去唤醒进入休眠的进程，属于主动唤醒

//wq_head：要唤醒的“等待队列头”

等待唤醒2

void wake_up_interruptible(struct wait_queue_head *wq_head)

//由“驱动程序”去唤醒进入休眠的进程，属于主动唤醒

//wq_head：要唤醒的“等待队列头”

设置“等待队列”等待某个事件，当这个事件满足以后，就可以自动唤醒“等待队列的进程”。

等待事件1

wait_event(wq_head, condition)

//由“wq_head为等待队列头的等待队列”去唤醒进程；

//当condition条件满足(为真)时会执行唤醒，否则会一直阻塞。

//唤醒后，会将进程设置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态，即进程不能被信号打断。

等待事件2

wait_event_interruptible(wq_head, condition)

//等待以“wq_head为等待队列头的等待队列”被唤醒，属于等待队列唤醒；

//当condition条件满足(为真)时会执行唤醒，否则会一直阻塞。

//唤醒后，会将进程设置为 TASK_INTERRUPTIBLE 状态，即进程可以被信号打断。

等待事件3

wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

//等待以“wq_head为等待队列头的等待队列”被唤醒，属于等待队列唤醒；

//如果返回值为0，表示超时，且condition为假，阻塞直到超时，再执行唤醒；

//如果返回值为1，表示condition为真，阻塞直到条件满足，再执行唤醒；

等待事件4

wait_event_interruptible_timeout(wq_head, condition, timeout)

//等待以“wq head为等待队列头的等待队列”被唤醒，属于等待队列唤醒；

//如果返回值为0，表示超时，且condition为假，阻塞直到超时，再执行唤醒；

//如果返回值为1，表示condition为真，阻塞直到条件满足，再执行唤醒；

//唤醒后，会将进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE状态，即进程可以被信号打断。

5、轮询

在非阻塞处理方式中，poll()、epoll()和select()用于处理轮询。若不能获取到设备资源，就从设备读取或者向设备写入数据。当应用程序调用poll()、epoll()或select()函数时，设备驱动程序中的poll()函数就会被执行，因此需要在设备驱动程序中编写poll()函数。

应用程序需要包含“#include <poll.h>”

驱动程序需要包含“#include <linux/poll.h>”

1)、select()函数

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)

//nfds所要监视的这“三类文件描述集合”中，“最大文件描述符”加1；

/*readfds用于监视指定描述符集的“读变化”，监视这些文件是否可以读取；

若可以读取，则返回大于0的值；若没有文件可以读取，则根据timeout判断是否超时；*/

/*writefds用于监视指定描述符集的“写变化”，监视这些文件是否可以写入；

若文件可以执行写操作，则返回大于0的值；若没有文件可以写入，则根据timeout判断是否超时；*/

//exceptfds用于监视文件的异常

//timeout超时时间

struct timeval {

  long tv_sec; /* 秒 */

  long tv_usec; /* 微妙 */

}

当timeout为NULL时，表示无限期等待；

缺点：

在单个线程中，select()函数能够监视的“文件描述符数量”有最大的限制，一般为 1024；我们可以修改内核，将监视的“文件描述符数量”改大,但是这样做会降低效率；

void FD_ZERO(fd_set *set)

//将fd_set型变量的所有位都清零，即将所有的文件描述符从fd_set中删除；

void FD_SET(int fd, fd_set *set)

//将fd_set型变量的某个位置1，即向fd_set添加一个文件描述符；

//fd是要加入的文件描述符

void FD_CLR(int fd, fd_set *set)

//将fd_set型变量的某个位置0，即将一个文件描述符从fd_set中删除；

//fd是要删除的文件描述符

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set)

//测试一个文件是否属于某个集合

//参数fd就是要判断的文件描述符

select()函数非阻塞读访问举例：

void main(void)

{

  int ret, fd;    /* 要监视的文件描述符 */

  fd_set readfds; /* 读操作文件描述符集 */

  struct timeval timeout; /* 超时结构体 */

  fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK);

  //打开文件成功，则fd 为“文件描述符”

  /* 非阻塞式访问 */

  /*O_NONBLOCK表示如果路径名指向FIFO/块文字/字符文件，则把文件打开和后继I/O设置为非阻塞*/

  FD_ZERO(&readfds);    /* 清除readfds */

//将readfds变量的所有位都清零，即将所有的文件描述符从readfds中删除；

  FD_SET(fd, &readfds); /* 将fd添加到readfds里面 */

  /* 构造超时时间 */

  timeout.tv_sec = 0;

  timeout.tv_usec = 500000; /*设置超时时间为500ms */

  ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

//“fd + 1”表示“最大文件描述符”加1

/*readfds用于监视指定描述符集的“读变化”，监视这些文件是否可以读取；

若可以读取，则返回大于0的值；若没有文件可以读取，则根据timeout判断是否超时；*/

//NULL不关注写

//NULL不关注文件的异常

//timeout设置超时时间为500ms;

  switch (ret)

  {

     case 0: /* ret=0超时 */

        printf("timeout!\r\n");

        break;

     case -1: /* 错误 */

        printf("error!\r\n");

        break;

     default: /* 可以读取数据 */

     if( FD_ISSET(fd, &readfds) ) /* 判断是否为fd文件描述符 */

     {

        /* 使用read函数读取数据 */

     }

     break;

   }

}

2)、poll()函数

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)

//fds是一个pollfd型结构数组
//nfds是要监视的文件描述符数量

//timeout超时时间，单位为ms;

//函数返回值为0，超时;

//函数返回值为-1，发生错误，并且设置errno为错误类型

//成功:函数返回值为revents域中不为0的pollfd结构体个数，也就是发生事件或错误的文件描述符数量;

缺点：poll()函数都会随着所监听的fd数量的增加，出现效率低下，且每次必须遍历“所有的描述符”来检查就绪的描述符，这个过程很浪费时间;

struct pollfd {

  int fd;         /* 要监视的文件描述符*/

  short events;   /* 要监视的事件，若文件描述符无效，则监视事件无效*/

  short revents;  /* 返回的事件*/

};

events事件类型：

POLLIN     有数据可以读取。

POLLPRI    有紧急的数据需要读取。

POLLOUT    可以写数据。

POLLERR    指定的文件描述符发生错误。

POLLHUP    指定的文件描述符挂起。

POLLNVAL  无效的请求。

POLLRDNORM  有数据可以读取，等同于POLLIN；

poll()函数读非阻塞访问应用举例:

void main(void)

{

  int ret;

  int fd; /* 要监视的文件描述符 */

  struct pollfd fds;

  fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK);

  //打开文件成功，则fd 为“文件描述符”

  /* 非阻塞式访问 */

  /*O_NONBLOCK表示如果路径名指向FIFO/块文字/字符文件，则把文件打开和后继I/O设置为非阻塞*/

  /* 构造结构体 */

  fds.fd = fd; /* 要监视的文件描述符*/

  fds.events = POLLIN; /* 监视数据是否可以读取 */

  ret = poll(&fds, 1, 500); /* 轮询文件是否可操作，超时500ms */

//fds是一个pollfd型结构数组
//nfds=1是要监视的文件描述符数量

//timeout=500，超时时间，单位为ms;

  if (ret) /* 数据有效 */

  {

    ......

    /* 读取数据 */

    ......

  }

  else if (ret == 0) /* 超时 */

  {

    ......

  }

  else if (ret < 0) /* 错误 */

  {

    ......

  }

}

3)、epoll()函数

int epoll_create(int size)

//size：从Limux2.6.8开始该参数已经没有意义了，设置size>0就可以了；

//返回值：成功返回的是epoll句柄，如果为-1的话，表示创建失败；

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

//epfd：要操作的epoll句柄，也就是使用 epoll_create()函数创建的epoll句柄。

//op：表示要对epfd(epoll句柄)进行操作

EPOLL CTL ADD   向epfd添加文件参数fd表示的描述符；

EPOLL CTL MOD   修改参数fd的 event 事件；

EPOLL CTL DEL   从epfd中删除fd描述符；

//fd要监视的文件描述符

//event为epoll_event型结构指针，表示要监视的事件类型；

struct epoll_event {

    uint32_t events;   /* epoll事件 */

    epoll_data_t data; /* 用户数据*/

};

events事件类型：

POLLIN     有数据可以读取。

POLLOUT    可以写数据。

POLLPRI    有紧急数据需要读取。

POLLERR    指定的文件描述符发生错误。

POLLHUP    指定的文件描述符挂起。

EPOLLET    设置epo1l为边沿触发，默认触发模式为水平触发

EPOLLONESHOT  一次性的监视，当监视完成以后还需要再次监视某个fd ，那么就需要将fd重新添加到epoll里面;

注意：

上面这些事件可以进行“或”操作，也就是说可以设置监视多个事件。

//函数返回值为0，成功;

//函数返回值为-1，失败，并且设置 errno 的值为相应的错误码;

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)

epfd：要等待的 epoll；

events：指向epoll_event 结构体的数组，当有事件发生的时候，Linux内核会填写events，调用者可以根据 events 判断发生了哪些事件；

maxevents：events数组大小，必须大于0；

timeout：超时时间，单位为 ms；

函数返回值：0，超时；-1，错误；其他值，准备就绪的文件描述符数量；

注意：

epoll()更多的是用在大规模的“并发服务器”上，因为在这种场合下select()和 poll()并不适合。当设计到的文件描述符(fd)比较少的时候就适合用selcet()和poll()；

4)、Linux驱动下的poll()函数

需要包含“#include <linux/delay.h>”

unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)

filp：要打开的设备文件(文件描述符)；

wait：poll_table_struct类型指针，由应用程序传递进来的。一般将此参数传递给poll_wait()函数;

返回值：向应用程序返回设备或者资源状态，可以返回的资源状态如下：

POLLIN     有数据可以读取。

POLLPRI    有紧急的数据需要读取。

POLLOUT    可以写数据。

POLLERR    指定的文件描述符发生错误。

POLLHUP    指定的文件描述符挂起。

POLLNVAL  无效的请求。

POLLRDNORM  有普通数据可以读取，等同于POLLIN；

在驱动程序的poll()函数中调用poll_wait()函数，poll_wait()函数不会引起阻塞，只是将“应用程序”添加到poll_table中

void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

//wait_address是要添加到poll_table中的等待队列头;

//p是 poll_table型指针，就是file_operations中poll()函数的wait参数；

6、绑定信息文档

设备树是用来描述板子上的设备信息，不同的设备其信息不同，反映到设备树中就是属性不同。

在设备树中，添加一个硬件对应的节点，我们从哪里查阅相关的说明呢?

在Linux内核源码中，有详细的TXT文档描述了如何添加节点，这些TXT文档叫做绑定文档，路径为：

Linux 源码目录/Documentation/devicetree/bindings

绑定文档Documentation/devicetree/bindings/gpio/gpio.txt，详细描述了 gpio 控制器节点各个属性信息；

led0 {

       compatible = "zgq,led";

       status = "okay";

       led-gpio = <&gpioi 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;

    };

    key0 {

       compatible = "zgq,key";

       status = "okay";

       key-gpio = <&gpiog 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;

       interrupt-parent = <&gpiog>;/*指定父中断器为&gpiog*/

       interrupts = <3 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;

       /*指定中断号为3，中断类型和触发方式为下降沿触发*/

    };

EXTI控制器的设备树绑定信息参考文档 ：

Documentation/devicetree/bindings/interrupt-controller/st,stmm32-exti.txt

这篇关于Linux第86步_了解“阻塞和非阻塞IO”以及相关处理函数的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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