Linux驱动开发--异步通知与异步I/O

3、异步通知与异步I/O

3.1 Linux信号

阻塞与非阻塞访问、poll()函数提供了较好的解决设备访问的机制，但是如果有了异步通知，整套机制则更加完整了。

异步通知的意思是：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上"中断"的概念，比较准确的称谓是"信号驱动的异步I/O"。信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟 ，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的 。信号是异步的 ，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

阻塞I/O意味着一直等待设备可访问后再访问，非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问，而异步通知则意味着设备通知用户自身可访问，之后用户再进行I/O处理。由此可见，这几种I/O方式可以相互补充。

图9.1呈现了阻塞I/O、结合轮询的非阻塞I/O及基于SIGIO的异步通知在时间先后顺序上的不同。

这里要强调的是:阻塞、非阻塞I/O、异步通知本身没有优劣，应该根据不同的应用场景合理选择。

异步通知的核心就是信号，在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定义了 Linux 所支持的所有信号，这些信号如下所示：

c 复制代码

#define SIGHUP 		1 /* 终端挂起或控制进程终止 */
#define SIGINT 		2 /* 终端中断(Ctrl+C 组合键) */
#define SIGQUIT 	3 /* 终端退出(Ctrl+\组合键) */
#define SIGILL 		4 /* 非法指令 */
#define SIGTRAP 	5 /* debug 使用，有断点指令产生 */
#define SIGABRT 	6 /* 由 abort(3)发出的退出指令 */
#define SIGIOT 		6 /* IOT 指令 */
#define SIGBUS 		7 /* 总线错误 */
#define SIGFPE 		8 /* 浮点运算错误 */
#define SIGKILL		9 /* 杀死、终止进程  					----不可忽略 */
#define SIGUSR1	 	10 /* 用户自定义信号 1 */
#define SIGSEGV 	11 /* 段违例(无效的内存段) */
#define SIGUSR2 	12 /* 用户自定义信号 2 */
#define SIGPIPE 	13 /* 向非读管道写入数据 */
#define SIGALRM 	14 /* 闹钟 */
#define SIGTERM 	15 /* 软件终止 */
#define SIGSTKFLT 	16 /* 栈异常 */
#define SIGCHLD 	17 /* 子进程结束 */
#define SIGCONT 	18 /* 进程继续 */
#define SIGSTOP 	19 /* 停止进程的执行，只是暂停 			----不可忽略*/

#define SIGTSTP 	20 /* 停止进程的运行(Ctrl+Z 组合键) */
#define SIGTTIN 	21 /* 后台进程需要从终端读取数据 */
#define SIGTTOU 	22 /* 后台进程需要向终端写数据 */
#define SIGURG 		23 /* 有"紧急"数据 */
#define SIGXCPU 	24 /* 超过 CPU 资源限制 */
#define SIGXFSZ 	25 /* 文件大小超额 */
#define SIGVTALRM 	26 /* 虚拟时钟信号 */
#define SIGPROF 	27 /* 时钟信号描述 */
#define SIGWINCH 	28 /* 窗口大小改变 */
#define SIGIO 		29 /* 可以进行输入/输出操作 */
#define SIGPOLL 	SIGIO
/* #define SIGLOS 29 */
#define SIGPWR 		30 /* 断点重启 */
#define SIGSYS 		31 /* 非法的系统调用 */
#define SIGUNUSED 	31 /* 未使用信号 */


/* These should not be considered constants from userland.  */
#define SIGRTMIN	32
#define SIGRTMAX	(_NSIG-1)

除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)这两个信号不能被忽略外，进程能够忽略或捕获其他的全部信号。一个信号被捕获的意思是当一个信号到达时有相应的代码处理 它。如果一个信号没有被这个进程所捕获，内核将采用默认行为处理。

3.2 信号的接收--应用端

我们使用中断的时候需要设置中断处理函数，同样的，如果要在应用程序中使用信号，那么就必须设置信号所使用的信号处理函数，在应用程序中使用 signal 函数来设置指定信号的处理函数， signal 函数原型如下所示：

c 复制代码

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)

-signum：要设置处理函数的信号。
-handler： 信号的处理函数。
    若为SIGIGN，表示忽略该信号;
	若为SIGDFL，表示采用系统默认方式处理信号;
	若为用户自定义的函数，则信号被捕获到后，该函数将被执行。
-返回值： 设置成功的话返回信号的前一个处理函数handler，设置失败的话返回 SIG_ERR。

信号处理函数原型如下所示：

c 复制代码

typedef void (*sighandler_t)(int)

先来看一个使用信号实现异步通知的例子，它通过signal(SIGIO,input_handler)对标准输入文件描述符STDIN_FILENO启动信号机制。用户输人后，应用程序将接收到SIGIO信号其处理函数input_handler()将被调用，如代码清单 9.2所示。

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_LEN 100

void input_handler(int num)
{
    char data[MAX_LEN];
    int len;

    /* 读取并输出 STDIN_FILENO 上的输入 */
    len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);
    data[len] = 0;
    printf("input available:%s\n", data);
}

int main(void)
{
    int oflags;
    /* 启动信号驱动机制 */
    signal(SIGIO, input_handler);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
    oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);

    /* 最后进入一个死循环，仅为保持进程不终止。如果程序中没有这个死循环会立即执行完毕 */
    while (1);
}

上述代码 24 行为 SIGIO 信号安装 input_handler() 作为处理函数，第 25 行设置本进程为 STDIN_FILENO 文件的拥有者，没有这一步，内核不会知道应该将信号发给哪个进程。而为了启用异步通知机制，还需对设备设置 FASYNC 标志，第 26 行、27 行代码可实现此目的。

整个程序的执行效果如下：

复制代码

[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

从中可以看出，当用户输入一串字符串后，标准输入设备释放 SIGIO 信号，这个信号"中断"与驱使对应的应用程序中的 input_handler() 得以执行，并将用户输入显示出来。

**由此可见，为了能在用户空间中处理一个设备释放的信号，它必须完成 3 项工作。**应用程序对异步通知的处理包括以下三步：
1、注册信号处理函数

应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数，应用程序使用 signal 函数来设置信号的处理函数。

2、将本应用程序的进程号告诉给内核

使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。

3、开启异步通知

使用如下两行程序开启异步通知：

c 复制代码

flags = fcntl(fd, F_GETFL);  		/* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 开启当前进程异步通知功能 */

重点就是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC，经过这一步，驱动程序中的 fasync 函数就会执行。

3.3 信号的释放--设备驱动端

在设备驱动和应用程序的异步通知交互中，仅仅在应用程序端捕获信号是不够的，因为信号的源头在设备驱动端 。因此，应该在合适的时机让设备驱动释放信号，在设备驱动程序中增加信号释放的相关代码。

为了使设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及3项工作。

1）支持 F_SETOWN 命令：

能在这个控制命令处理中设置 filp->f_owner 为对应进程 ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。

2）支持 F_SETFL 命令的处理：

每当 FASYNC 标志改变时，驱动程序中的 fasync() 函数将得以执行。因此，驱动中应该实现 fasync() 函数。

3）在设备资源可获得时，调用 kill_fasync() 函数激发相应的信号。

驱动中的上述3项工作和应用程序中的3项工作是一一对应的:

设备驱动中异步通知编程比较简单，主要用到一项数据结构和两个函数。

数据结构是 fasync_struct 结构体：

c 复制代码

struct fasync_struct {
    spinlock_t fa_lock;       		// 保护结构体的自旋锁
    int magic;               		// 用于验证结构体的魔术数字
    int fa_fd;              	 	// 文件描述符
    struct fasync_struct *fa_next; 	// 指向下一个结构体的指针，形成单向链表
    struct file *fa_file;     		// 指向文件结构体的指针
    struct rcu_head fa_rcu;   		// RCU机制使用的头结构
};

和其他的设备驱动一样，将 fasync_struct 结构体指针放在设备结构体中仍然是最佳选择，支持异步通知的设备结构体模板，如下所示：

c 复制代码

struct xxx_dev {
    struct cdev cdev; /* cdev 结构体 */
    ...
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体指针 */
};

当一个进程对某个文件调用 fcntl() 系统调用并设置 FASYNC 标志时，内核会创建一个 fasync_struct 实例，并将其加入到文件的异步通知队列中。

当文件状态发生变化时（如数据可读或可写），内核会遍历这个队列----上图中的fasync_struct列表，找到相关的 fasync_struct，并通过文件描述符通知对应的进程。

引出了**"异步通知队列"**：接下来再进一步分析

在 Linux 内核中，异步通知队列（由 fasync_struct 结构体组成的链表）是通过设备驱动程序的私有数据结构 来维护的（也就是前面的struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体指针 */）

如何维护异步通知队列

私有数据结构 ：设备驱动程序通常会在其私有数据结构中维护一个指向 fasync_struct 的指针。这个私有数据结构可能是 struct inode 的一部分，或者是设备驱动程序定义的其他结构体。

fasync_helper 函数 ：当需要处理异步通知时，内核会调用 fasync_helper 函数。这个函数会检查设备驱动程序的私有数据结构中是否有指向 fasync_struct 的指针，并据此决定是否需要创建或修改异步通知队列。

kill_fasync 函数 ：当设备驱动程序需要通知应用程序文件状态发生变化时（如数据可读或可写），它会调用 kill_fasync 函数。这个函数会遍历由 fasync_struct 结构体组成的链表，并向每个注册的进程发送信号。

两个函数分别是：

1）处理 FASYNC 标志变更的函数。

c 复制代码

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

2）释放信号用的函数。

c 复制代码

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

如果要使用异步通知，需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数，fasync 函数里面一般通过调用 fasync_helper 函数来初始化前面定义的 fasync_struct 结构体指针。

当应用程序通过"fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)"改变fasync 标记的时候，驱动程序 file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。在设备驱动的 fasync() 函数中，只需要简单地将该函数的3个参数以及 fasync_struct 结构体指针的指针作为第4个参数传入 fasync_helper() 函数即可。下面给出了支持异步通知的设备驱动程序 fasync() 函数的模板。

c 复制代码

struct xxx_dev {
    ......
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};

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,
    ......
};

在设备资源可以获得时，应该调用 kill_fasync() 释放 SIGIO 信号。在可读时，第3个参数设置为 POLL_IN，在可写时，第3个参数设置为 POLL_OUT。下面给出了释放信号的范例。

c 复制代码

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;
    ...
    /* 产生异步读信号 */
    if (dev->async_queue)
        kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
    ...
}

最后，在文件关闭时，即在设备驱动的 release() 函数中，应调用设备驱动的 fasync() 函数将文件从异步通知的列表中删除。给出了支持异步通知的设备驱动 release() 函数的模板。

c 复制代码

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 将文件从异步通知列表中删除 */
    xxx_fasync(-1, filp, 0);
    ...
    return 0;
}

调用前面代码中的 xxx_fasync 函数来完成 fasync_struct 的释放工作，但是，其最终还是通过 fasync_helper 函数完成释放工作。