Linux內(nèi)核開發(fā)之異步通知與異步I/O(一)

　　“小王，聽說過錦上添花吧..”我拍拍下王的頭說。

　　“還錦上添花你，為你上次提的幾個(gè)東東，我是頭上長(zhǎng)包..”小王氣憤地瞪著我。

　　“啊，為啥這樣呢，本來還特意拒絕了MM的約會(huì)，抽出時(shí)間打算給你說點(diǎn)高級(jí)的東東，看來現(xiàn)在是不行了”我吃驚道，“這樣吧，這次就給你講些和前邊有關(guān)的東西，也不失為錦上添花不是?”。

　　“好，我也是這么打算的，就是沒好意思說，今天講些啥呢?”小王暗淡的眼光總算閃了閃。(為啥這么難受呢，好像跟什么會(huì)嚎叫的特像，哈哈)

　　那就言歸正傳，今天我們講---Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之異步通知與異步I/O.”

　　小王，前邊不是講了阻塞與非阻塞訪問，poll()函數(shù)等提供的較好的解決設(shè)備訪問的機(jī)制，那么通過這次有關(guān)異步通知整套機(jī)制的配合，就更相得益彰，錦上添花了。

　　啥叫異步通知：很簡(jiǎn)單，一旦設(shè)備準(zhǔn)備好，就主動(dòng)通知應(yīng)用程序，這種情況下應(yīng)用程序就不需要查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，這是不是特像硬件上常提的“中斷的概念”。上邊比較準(zhǔn)確的說法其實(shí)應(yīng)該叫做“信號(hào)驅(qū)動(dòng)的異步I/O”,信號(hào)是在軟件層次上對(duì)中斷機(jī)制的一種模擬。

　　“小王，給你一個(gè)表現(xiàn)的機(jī)會(huì)，說說這個(gè)和前邊的幾點(diǎn)不同和差異。。”

　　“嗯，我的理解是這樣的哈，阻塞I/O意味著一直等待設(shè)備可訪問再訪問，非阻塞I/O意味著使用poll()來查詢是否可訪問，而異步通知?jiǎng)t意味著設(shè)備通知應(yīng)用程序自身可訪問。”看著小王聰明的眼睛和清晰的思路，我也忍不住給予一個(gè)鼓勵(lì)的微笑啊。

　　說的好，我只是想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：上面三種方式，其實(shí)本身是沒有優(yōu)劣的，應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇罷了。

　　說到信號(hào)，在應(yīng)用程序中，為了捕獲信號(hào)(還捕獲呢， 不就是一個(gè)處理嗎)可以使用signal()函數(shù)來設(shè)置對(duì)應(yīng)的信號(hào)的處理函數(shù)。函數(shù)原型是

　　void (*signal(int signo,void (*func)(int))) (int) 這個(gè)看起來費(fèi)勁吧，不光你，我看著也費(fèi)勁，沒關(guān)系，給你來個(gè)例子：

　　void sigterm_handler(int signo)

　　{

　　char data[MAX_LEN];

　　int len;

　　len=read(STDIN_FILENO, &data,MAX_LEN);

　　data[len]=0;

　　printf("Input available:%sn",data);

　　exit(0);

　　}

　　int main(void)

　　{

　　int oflags;

　　//啟動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　signal(SIGIO, sigterm_handler);

　　fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());

　　oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);

　　fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);

　　//建立一個(gè)死循環(huán)，防止程序結(jié)束

　　while(1);

　　return 0;

　　}

　　看了這段代碼明白啥意思了吧，我也不多少了，咱們繼續(xù)往下走..為了一個(gè)用戶在用戶空間中能處理一個(gè)設(shè)備釋放的信號(hào)，它必須完成一下3份工作：

　　1)通過F_SETOWN控制指令設(shè)置設(shè)備文件的擁有者為本進(jìn)程,這樣從設(shè)備驅(qū)動(dòng)中發(fā)出的信號(hào)才能被本進(jìn)程收到。

　　2)通過F_SETFLIO控制命令設(shè)置設(shè)備文件支持FASYNC,即異步通知模式。

　　3)通過signal()鏈接信號(hào)和信號(hào)處理函數(shù)。

　　當(dāng)然，如果你了解linux/Unix信號(hào)機(jī)制的話，你可能會(huì)問為啥沒說sigaction函數(shù)，其實(shí)沒關(guān)系，作用差不多，想知道的話,自己看書Apue的P261.

　　有了信號(hào)的發(fā)送，那么就一定得有信號(hào)的釋放了：

　　在設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的異步通知交互中，僅僅在應(yīng)用程序端捕獲信號(hào)是不夠的，因?yàn)樾盘?hào)沒有的源頭是在驅(qū)動(dòng)端，因此要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)讓設(shè)備驅(qū)動(dòng)釋放信號(hào)。

　　為了使設(shè)備支持異步通知機(jī)制，驅(qū)動(dòng)程序中涉及三個(gè)操作：

　　1)支持F_SETOWN命令，能在這個(gè)控制命令處理中設(shè)置filp->f_owner為對(duì)應(yīng)的進(jìn)程ID。不過此項(xiàng)工作已由內(nèi)核完成，設(shè)備驅(qū)動(dòng)無須處理。

　　2)支持F_SETFL命令的處理,每當(dāng)FASYNC標(biāo)志改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序中fasync()函數(shù)將得以進(jìn)行。因此,驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)fasync()函數(shù)。

　　3)在設(shè)備資源可獲得時(shí),調(diào)用kill_fasync()函數(shù)激發(fā)相應(yīng)的信號(hào)。

　　驅(qū)動(dòng)程序中上面的三步是和應(yīng)用程序是一一對(duì)應(yīng)的。如下圖：

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)中異步通知編程還是比較簡(jiǎn)單的，主要就是一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，和兩個(gè)函數(shù)：

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：fasync_struct結(jié)構(gòu)體

　　函數(shù)：1)處理FASYNC標(biāo)志變更的函數(shù)int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode ,struct fasync_struct **fa);

　　2) 釋放信號(hào)用的函數(shù)void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

　　和其他設(shè)備驅(qū)動(dòng)一樣，一般將fasync_struct放到設(shè)備結(jié)構(gòu)體中。下邊是典型模版：

　　struct xxx_dev

　　{

　　struct cdev cdev;

　　...

　　struct fasync_struct *async_queue; //異步結(jié)構(gòu)體

　　}

　　而在驅(qū)動(dòng)的fasync()函數(shù)中，只需要簡(jiǎn)單的將該參數(shù)的3個(gè)參數(shù)以及fasync_struct結(jié)構(gòu)體指針的指針作為第四個(gè)參數(shù)傳給fasync_helper函數(shù)即可.下邊是典型模版:

　　static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)

　　{

　　struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

　　return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);

　　}

　　一旦設(shè)備資源可以獲得時(shí),應(yīng)該調(diào)用kill_fasync()釋放SIGIO信號(hào),可讀時(shí)第三個(gè)參數(shù)設(shè)置為POLL_IN,可寫時(shí)第三個(gè)參數(shù)設(shè)置為POLL_OUT,下邊是釋放信號(hào)的典型模版：

　　static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,loff_t *f_ops)

　　{

　　struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

　　....

　　//產(chǎn)生異步信號(hào)

　　if(dev->async_queue)

　　{

　　kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);

　　}

　　..

　　}

　　最后，在文件關(guān)閉時(shí)，即在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的release函數(shù)中，應(yīng)調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的fasync()函數(shù)將文件從異步通知的列表中刪除，下邊是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的釋放函數(shù)的典型模版:

　　static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)

　　{

　　struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

　　//將文件從異步通知列表中刪除

　　xxx_fasync(-1,filp,0);

　　...

　　return 0;

　　}

　　“等等，我知道你明白，你是想向我個(gè)例子，我知道你啥意思，沒關(guān)系，我下次補(bǔ)上 。”沒等小王，我立刻給她堵上“你啊，心里幾根小九九，我還不知道啊..”