Linux驅動開發--異步通知與異步I/O

3、異步通知與異步I/O

3.1 Linux信號

阻塞與非阻塞訪問、poll()函數提供了較好的解決設備訪問的機制，但是如果有了異步通知，整套機制則更加完整了。
異步通知的意思是：一旦設備就緒，則主動通知應用程序，這樣應用程序根本就不需要查詢設備狀態，這一點非常類似于硬件上“中斷”的概念，比較準確的稱謂是“信號驅動的異步I/O”。信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，在原理上，一個進程收到一個信號與處理器收到一個中斷請求可以說是一樣的。信號是異步的，一個進程不必通過任何操作來等待信號的到達，事實上，進程也不知道信號到底什么時候到達。
阻塞I/O意味著一直等待設備可訪問后再訪問，非阻塞I/O中使用poll()意味著查詢設備是否可訪問，而異步通知則意味著設備通知用戶自身可訪問，之后用戶再進行I/O處理。由此可見，這幾種I/O方式可以相互補充。

圖9.1呈現了阻塞I/O、結合輪詢的非阻塞I/O及基于SIGIO的異步通知在時間先后順序上的不同。

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這里要強調的是:阻塞、非阻塞I/O、異步通知本身沒有優劣，應該根據不同的應用場景合理選擇。

異步通知的核心就是信號，在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定義了 Linux 所支持的所有信號，這些信號如下所示：

#define SIGHUP 		1 /* 終端掛起或控制進程終止 */
#define SIGINT 		2 /* 終端中斷(Ctrl+C 組合鍵) */
#define SIGQUIT 	3 /* 終端退出(Ctrl+\組合鍵) */
#define SIGILL 		4 /* 非法指令 */
#define SIGTRAP 	5 /* debug 使用，有斷點指令產生 */
#define SIGABRT 	6 /* 由 abort(3)發出的退出指令 */
#define SIGIOT 		6 /* IOT 指令 */
#define SIGBUS 		7 /* 總線錯誤 */
#define SIGFPE 		8 /* 浮點運算錯誤 */
#define SIGKILL		9 /* 殺死、終止進程  					----不可忽略 */
#define SIGUSR1	 	10 /* 用戶自定義信號 1 */
#define SIGSEGV 	11 /* 段違例(無效的內存段) */
#define SIGUSR2 	12 /* 用戶自定義信號 2 */
#define SIGPIPE 	13 /* 向非讀管道寫入數據 */
#define SIGALRM 	14 /* 鬧鐘 */
#define SIGTERM 	15 /* 軟件終止 */
#define SIGSTKFLT 	16 /* 棧異常 */
#define SIGCHLD 	17 /* 子進程結束 */
#define SIGCONT 	18 /* 進程繼續 */
#define SIGSTOP 	19 /* 停止進程的執行，只是暫停 			----不可忽略*/#define SIGTSTP 	20 /* 停止進程的運行(Ctrl+Z 組合鍵) */
#define SIGTTIN 	21 /* 后臺進程需要從終端讀取數據 */
#define SIGTTOU 	22 /* 后臺進程需要向終端寫數據 */
#define SIGURG 		23 /* 有"緊急"數據 */
#define SIGXCPU 	24 /* 超過 CPU 資源限制 */
#define SIGXFSZ 	25 /* 文件大小超額 */
#define SIGVTALRM 	26 /* 虛擬時鐘信號 */
#define SIGPROF 	27 /* 時鐘信號描述 */
#define SIGWINCH 	28 /* 窗口大小改變 */
#define SIGIO 		29 /* 可以進行輸入/輸出操作 */
#define SIGPOLL 	SIGIO
/* #define SIGLOS 29 */
#define SIGPWR 		30 /* 斷點重啟 */
#define SIGSYS 		31 /* 非法的系統調用 */
#define SIGUNUSED 	31 /* 未使用信號 *//* These should not be considered constants from userland.  */
#define SIGRTMIN	32
#define SIGRTMAX	(_NSIG-1)

除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)這兩個信號不能被忽略外，進程能夠忽略或捕獲其他的全部信號。一個信號被捕獲的意思是當一個信號到達時有相應的代碼處理它。如果一個信號沒有被這個進程所捕獲，內核將采用默認行為處理。

3.2 信號的接收–應用端

我們使用中斷的時候需要設置中斷處理函數，同樣的，如果要在應用程序中使用信號，那么就必須設置信號所使用的信號處理函數，在應用程序中使用 signal 函數來設置指定信號的處理函數， signal 函數原型如下所示：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)-signum：要設置處理函數的信號。
-handler： 信號的處理函數。若為SIGIGN，表示忽略該信號;若為SIGDFL，表示采用系統默認方式處理信號;若為用戶自定義的函數，則信號被捕獲到后，該函數將被執行。
-返回值： 設置成功的話返回信號的前一個處理函數handler，設置失敗的話返回 SIG_ERR。

信號處理函數原型如下所示：

typedef void (*sighandler_t)(int)

先來看一個使用信號實現異步通知的例子，它通過signal(SIGIO,input_handler)對標準輸入文件描述符STDIN_FILENO啟動信號機制。用戶輸人后，應用程序將接收到SIGIO信號其處理函數input_handler()將被調用，如代碼清單 9.2所示。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_LEN 100void input_handler(int num)
{char data[MAX_LEN];int len;/* 讀取并輸出 STDIN_FILENO 上的輸入 */len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);data[len] = 0;printf("input available:%s\n", data);
}int main(void)
{int oflags;/* 啟動信號驅動機制 */signal(SIGIO, input_handler);fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);/* 最后進入一個死循環，僅為保持進程不終止。如果程序中沒有這個死循環會立即執行完畢 */while (1);
}

上述代碼 24 行為 SIGIO 信號安裝 input_handler() 作為處理函數，第 25 行設置本進程為 STDIN_FILENO 文件的擁有者，沒有這一步，內核不會知道應該將信號發給哪個進程。而為了啟用異步通知機制，還需對設備設置 FASYNC 標志，第 26 行、27 行代碼可實現此目的。
整個程序的執行效果如下：

[root@localhost driver_study1# ./signal_test
I am Chinese.
input available: I am Chinese.
-> signal_test 程序打印I love Linux driver.
input available: I love Linux driver.
-> signal_test 程序打印

從中可以看出，當用戶輸入一串字符串后，標準輸入設備釋放 SIGIO 信號，這個信號“中斷”與驅使對應的應用程序中的 input_handler() 得以執行，并將用戶輸入顯示出來。
**由此可見，為了能在用戶空間中處理一個設備釋放的信號，它必須完成 3 項工作。**應用程序對異步通知的處理包括以下三步：
1、注冊信號處理函數
應用程序根據驅動程序所使用的信號來設置信號的處理函數，應用程序使用 signal 函數來設置信號的處理函數。

2、將本應用程序的進程號告訴給內核
使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())將本應用程序的進程號告訴給內核。

3、開啟異步通知
使用如下兩行程序開啟異步通知：

flags = fcntl(fd, F_GETFL);  		/* 獲取當前的進程狀態 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 開啟當前進程異步通知功能 */

重點就是通過 fcntl 函數設置進程狀態為 FASYNC，經過這一步，驅動程序中的 fasync 函數就會執行。

3.3 信號的釋放–設備驅動端

在設備驅動和應用程序的異步通知交互中，僅僅在應用程序端捕獲信號是不夠的，因為信號的源頭在設備驅動端。因此，應該在合適的時機讓設備驅動釋放信號，在設備驅動程序中增加信號釋放的相關代碼。

為了使設備支持異步通知機制，驅動程序中涉及3項工作。

1）支持 F_SETOWN 命令：

能在這個控制命令處理中設置 filp->f_owner 為對應進程 ID。不過此項工作已由內核完成，設備驅動無須處理。

2）支持 F_SETFL 命令的處理：

每當 FASYNC 標志改變時，驅動程序中的 fasync() 函數將得以執行。因此，驅動中應該實現 fasync() 函數。

3）在設備資源可獲得時，調用 kill_fasync() 函數激發相應的信號。

驅動中的上述3項工作和應用程序中的3項工作是一一對應的:

在這里插入圖片描述

設備驅動中異步通知編程比較簡單，主要用到一項數據結構和兩個函數。

數據結構是 fasync_struct 結構體：

struct fasync_struct {spinlock_t fa_lock;       		// 保護結構體的自旋鎖int magic;               		// 用于驗證結構體的魔術數字int fa_fd;              	 	// 文件描述符struct fasync_struct *fa_next; 	// 指向下一個結構體的指針，形成單向鏈表struct file *fa_file;     		// 指向文件結構體的指針struct rcu_head fa_rcu;   		// RCU機制使用的頭結構
};

和其他的設備驅動一樣，將 fasync_struct 結構體指針放在設備結構體中仍然是最佳選擇，支持異步通知的設備結構體模板，如下所示：

struct xxx_dev {struct cdev cdev; /* cdev 結構體 */...struct fasync_struct *async_queue; /* 異步結構體指針 */
};

當一個進程對某個文件調用 fcntl() 系統調用并設置 FASYNC 標志時，內核會創建一個 fasync_struct 實例，并將其加入到文件的異步通知隊列中。
當文件狀態發生變化時（如數據可讀或可寫），內核會遍歷這個隊列----上圖中的fasync_struct列表，找到相關的 fasync_struct，并通過文件描述符通知對應的進程。

引出了**“異步通知隊列”**：接下來再進一步分析

在 Linux 內核中，異步通知隊列（由 fasync_struct 結構體組成的鏈表）是通過設備驅動程序的私有數據結構來維護的（也就是前面的struct fasync_struct *async_queue; /* 異步結構體指針 */）

如何維護異步通知隊列

私有數據結構：設備驅動程序通常會在其私有數據結構中維護一個指向 fasync_struct 的指針。這個私有數據結構可能是 struct inode 的一部分，或者是設備驅動程序定義的其他結構體。
fasync_helper 函數：當需要處理異步通知時，內核會調用 fasync_helper 函數。這個函數會檢查設備驅動程序的私有數據結構中是否有指向 fasync_struct 的指針，并據此決定是否需要創建或修改異步通知隊列。
kill_fasync 函數：當設備驅動程序需要通知應用程序文件狀態發生變化時（如數據可讀或可寫），它會調用 kill_fasync 函數。這個函數會遍歷由 fasync_struct 結構體組成的鏈表，并向每個注冊的進程發送信號。

兩個函數分別是：

1）處理 FASYNC 標志變更的函數。

int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on);
int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);

2）釋放信號用的函數。

void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

如果要使用異步通知，需要在設備驅動中實現 file_operations 操作集中的 fasync 函數，fasync 函數里面一般通過調用 fasync_helper 函數來初始化前面定義的 fasync_struct 結構體指針。

當應用程序通過“fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)”改變fasync 標記的時候，驅動程序 file_operations 操作集中的 fasync 函數就會執行。在設備驅動的 fasync() 函數中，只需要簡單地將該函數的3個參數以及 fasync_struct 結構體指針的指針作為第4個參數傳入 fasync_helper() 函數即可。下面給出了支持異步通知的設備驅動程序 fasync() 函數的模板。

struct xxx_dev {......struct fasync_struct *async_queue; /* 異步相關結構體 */
};static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{struct xxx_dev *dev = (xxx_dev *)filp->private_data;if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)return -EIO;return 0;
}static struct file_operations xxx_ops = {.......fasync = xxx_fasync,......
};

在設備資源可以獲得時，應該調用 kill_fasync() 釋放 SIGIO 信號。在可讀時，第3個參數設置為 POLL_IN，在可寫時，第3個參數設置為 POLL_OUT。下面給出了釋放信號的范例。

static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{struct xxx_dev *dev = filp->private_data;.../* 產生異步讀信號 */if (dev->async_queue)kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);...
}

最后，在文件關閉時，即在設備驅動的 release() 函數中，應調用設備驅動的 fasync() 函數將文件從異步通知的列表中刪除。給出了支持異步通知的設備驅動 release() 函數的模板。

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{/* 將文件從異步通知列表中刪除 */xxx_fasync(-1, filp, 0);...return 0;
}

調用前面代碼中的 xxx_fasync 函數來完成 fasync_struct 的釋放工作，但是，其最終還是通過 fasync_helper 函數完成釋放工作。

在這里插入圖片描述