【Linux驱动开发】Linux 设备驱动中的阻塞与非阻塞 I/O：机制、源码与示例
Linux 设备驱动中的阻塞与非阻塞 I/O：机制、源码与示例
1. 基本概念与区别
- 阻塞 I/O：当资源不可用时，调用方进入睡眠（
TASK_INTERRUPTIBLE/TASK_UNINTERRUPTIBLE），直到条件满足或被信号打断后返回。
- 非阻塞 I/O：当资源不可用时，系统调用立即返回（通常
-EAGAIN），不发生睡眠，由用户态自行决定重试或走多路复用。
- 关键差异：
- 进程状态：阻塞路径发生
TASK_RUNNING → TASK_* 的转换；非阻塞路径保持运行态。
- 系统调用行为：阻塞路径等待条件成立；非阻塞路径迅速返回错误码。
2. 底层实现机制
等待队列 (wait_queue)
- 类型与初始化：
wait_queue_head_t 与 init_waitqueue_head()（include/linux/wait.h:39-79）。
- 睡眠与唤醒：
wait_event*() 系列宏执行入队、设置任务睡眠态与调度；wake_up*() 负责唤醒等待者（include/linux/wait.h:165-175, 399-425）。
- 内核实现：入队/出队与通用唤醒逻辑在
kernel/sched/wait.c:14-22, 65-77, 89-98, 171-183, 199-220。
file_operations 中的相关方法
read/write 的 O_NONBLOCK：驱动读取 file->f_flags & O_NONBLOCK 决定是否走非阻塞路径（drivers/char/random.c:1456-1460，drivers/char/rtc.c:370-377）。poll/select/epoll：驱动 .poll 必须调用 poll_wait(file, &wait_queue, wait) 将等待队列登记到调用方，依据资源状态返回掩码（include/linux/poll.h:42-46）。
调度器与进程状态转换
- 阻塞路径设置
TASK_INTERRUPTIBLE/UNINTERRUPTIBLE 并调度；唤醒后恢复运行。相关实现与内存序保证见 kernel/sched/wait.c:159-170, 171-183。
3. 驱动开发实践
阻塞模式实现步骤
- 初始化等待队列头：
init_waitqueue_head(&wq)（示例：drivers/char/example_blocking.c:103-105）。
- 检查资源并判断条件（示例：
drivers/char/example_blocking.c:29-40）。
- 睡眠等待：
wait_event_interruptible(wq, condition)，被信号打断返回 -ERESTARTSYS（示例：drivers/char/example_blocking.c:38-40，参照 drivers/char/random.c:1448-1453）。
- 唤醒机制：资源状态变化后调用
wake_up_interruptible(&wq)（示例写路径：drivers/char/example_blocking.c:73-74）。
非阻塞模式实现要点
- 检查
O_NONBLOCK：file->f_flags & O_NONBLOCK（drivers/char/example_blocking.c:35-37）。
- 返回
-EAGAIN：资源不可用立即返回（drivers/char/random.c:1445-1447，drivers/char/rtc.c:370-373）。
- 即时检测逻辑：快速判断可读/可写并返回，避免睡眠和忙等。
.poll/select/epoll 实现
.poll 中调用 poll_wait(file, &wq, wait) 登记等待队列（drivers/char/example_blocking.c:80-81）。- 返回掩码：可读返回
POLLIN|POLLRDNORM，可写返回 POLLOUT|POLLWRNORM（示例：drivers/char/example_blocking.c:82-87；参考 drivers/char/random.c:1492-1496 与 drivers/char/rtc.c:800-809）。
4. 性能与适用场景分析
- 阻塞 I/O：
- 优点：避免忙等，CPU 利用率高；适合低吞吐但需要正确同步的场景。
- 缺点：响应受资源就绪时间影响，存在上下文切换。
- 非阻塞 I/O：
- 优点：适合实时与事件驱动；配合
poll/select/epoll 多路复用。
- 缺点：用户态需编排重试与回退，不当实现可能忙等。
- 混合策略：同时提供阻塞与非阻塞路径，并实现
.poll；用户空间以 select/poll/epoll 统一管理，参照 /dev/random（drivers/char/random.c:1425-1460, 1484-1497, 1591-1599）。
5. 用户空间接口
- 设置非阻塞：
open(path, O_NONBLOCK) 或 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)。
- 行为表现：
- 阻塞读：无数据时睡眠；收到信号返回
-ERESTARTSYS（drivers/char/random.c:1451-1453，drivers/char/rtc.c:374-377）。
- 非阻塞读：无数据立刻返回
-EAGAIN。
poll/select/epoll：驱动 .poll 返回掩码，内核登记等待队列并在事件到来时唤醒调用方（include/linux/poll.h:42-46）。
6. 调试与问题排查
- 常见死锁：持有不可睡眠锁（自旋锁）期间调用睡眠原语；应在睡眠前释放锁或使用合适锁策略。示例代码采用
mutex，在睡眠前释放（drivers/char/example_blocking.c:33-40）。
- 竞态防护：在持锁下修改资源状态并确保等待/唤醒条件一致，之后再唤醒；等待宏内部已有必要的内存序（
kernel/sched/wait.c:86-96）。
- 核查要点：
.poll 必须调用 poll_wait；错误码（-EAGAIN/-ERESTARTSYS）符合约定；唤醒路径触发预期事件掩码。
7. 源码对照与示例
/dev/random
- 阻塞读与
O_NONBLOCK：drivers/char/random.c:1425-1460（非阻塞 -EAGAIN：1445-1447；信号中断：1451-1453）。
.poll：drivers/char/random.c:1484-1497。file_operations：drivers/char/random.c:1591-1599。
/dev/rtc
.read 阻塞与非阻塞：drivers/char/rtc.c:329-394。.poll：drivers/char/rtc.c:793-809。
/dev/mem
- 直接读写物理内存，无等待队列与睡眠：
drivers/char/mem.c:102-173, 174-243。
等待队列与 poll API
wait_event_interruptible 宏：include/linux/wait.h:399-425。wake_up_interruptible 宏：include/linux/wait.h:171-175。poll_wait：include/linux/poll.h:42-46。- 核心实现：
kernel/sched/wait.c:14-22, 65-77, 89-98, 171-183, 199-220。
8. 典型驱动示例（已集成）
- 文件：
drivers/char/example_blocking.c
- 关键路径：
- 阻塞/非阻塞读：
drivers/char/example_blocking.c:22-51
- 写入与唤醒：
drivers/char/example_blocking.c:53-75
.poll：drivers/char/example_blocking.c:77-88- 等待队列初始化与设备注册：
drivers/char/example_blocking.c:103-123
9. 构建与启用
- 配置项：
CONFIG_EXAMPLE_BLOCKING（drivers/char/Kconfig）。
- Makefile 目标：
drivers/char/Makefile:63。
- 设备节点：启用
devtmpfs/udev 自动生成 /dev/exblk；或手动创建：
mknod /dev/exblk c $(grep exblk /proc/devices | awk '{print $1}') 0
10. 用户态测试程序
- 文件：
samples/exblk/exblk_test.c
- 编译：
cc -O2 -Wall -o exblk_test samples/exblk/exblk_test.c
- 运行与验证：
- 非阻塞读：程序启动即测试
O_NONBLOCK 路径（预期 EAGAIN）。
poll/epoll：在另一终端执行 echo "hello" > /dev/exblk 触发事件；程序读取并打印内容。- 阻塞读：提示后执行写入，可观察阻塞到事件到来。