20260111 - Linux驱动学习笔记：异步通知

📚 Linux 驱动开发笔记：异步通知 (Asynchronous Notification)

一、 核心概念：什么是异步通知？

在之前的学习中，以及接触了两种读取数据的方式：

1. 阻塞 (Blocking) ：APP 调用 read，没数据就睡觉（wait_event），有数据被唤醒。
2. 非阻塞 (Non-blocking/Polling) ：APP 调用 poll 或设置 O_NONBLOCK，没数据就立刻返回或周期性询问。

异步通知 则是第三种方式："信号驱动 IO"。

• 类比 ：
  • 阻塞：你在邮局门口一直坐着等，直到信来了才走。
  • 轮询：你每隔 5 分钟去邮局问一次"信来了吗？"
  • 异步通知：你在家看电视（干别的事），邮局有信了直接给你打电话（发信号），你接到电话再去取信。
• 核心机制 ：利用 Linux 的 信号 (Signal) 机制，特别是 SIGIO 信号。

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二、 应用程序要做什么？ (Receiver)

参考你的应用层代码 button_test.c，APP 需要完成"三部曲"才能接收驱动的信号。

1. 注册信号处理函数 (绑卡)

你需要告诉内核：当收到 SIGIO 信号时，请执行哪个函数。

// 这里的 sig_fun 就是那个"回调函数"
static void sig_fun(int sig)
{
    int val;
    read(fd, &val, 4); // 收到信号后，立马去读数据
    printf("get button : 0x%08x\n", val);
}

// 在 main 函数中注册
signal(SIGIO, sig_fun); 

2. 设置文件的拥有者 (留名)

驱动程序发出信号时，必须知道发给哪个进程（PID）。

// 告诉驱动：fd 这个文件的"主人"是当前进程 (getpid())
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

3. 开启异步通知标志 (开通服务)

最后，通过 fcntl 设置 FASYNC 标志。这会触发驱动层调用 .fasync 函数。

flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); // 这一步至关重要！

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三、 驱动程序要做什么？ (Sender)

参考你的内核代码，驱动层需要配合 APP 完成信号的发送。

1. 定义 fasync_struct 结构体

这是一个内核链表结构，用来存放"有哪些进程正在等待我的信号"。

struct fasync_struct *button_fasync; // 定义一个指针

2. 实现 .fasync 操作函数

当 APP 调用 fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC) 时，内核会调用驱动的这个 .fasync 函数。

我们只需要调用内核帮我们写好的助手函数 fasync_helper 即可。它会把 APP 的进程信息初始化并加入到 button_fasync 链表中。

static int gpio_key_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{
    // fasync_helper 负责维护 button_fasync 链表（添加或删除进程）
    if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)
        return 0;
    else
        return -EIO;
}

// 别忘了在 file_operations 里注册它
static struct file_operations gpio_key_drv = {
    // ...
    .fasync  = gpio_key_drv_fasync,
};

3. 在中断里发送信号 (Trigger)

当硬件产生中断，数据准备好（放入环形缓冲区）后，驱动主动发射信号。

static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
    // ... 读取 GPIO，放入环形缓冲区 ...
    put_key(key);
    
    // 1. 唤醒阻塞的进程（如果有）
    wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);

    // 2. 发送异步信号！
    // 参数说明：
    // &button_fasync: 发给谁？（发给链表里的所有进程）
    // SIGIO: 发什么信号？
    // POLL_IN: 为什么发？（因为有数据进来了/Input）
    kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
    
    return IRQ_HANDLED;
}

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四、 完整的数据流向图解

让把代码串联起来，看看当按键按下时发生了什么：

1. 初始化阶段 ：
   • APP: open() -> signal() -> fcntl(F_SETOWN) -> fcntl(FASYNC).
   • Kernel: gpio_key_drv_fasync 被调用，APP 的 PID 被记录在 button_fasync 结构体中。
   • APP: 进入 while(1) 循环，打印 "zeku" 并睡觉，完全不理会按键。
2. 事件触发阶段 ：
   • User: 按下按键。
   • Hardware: 触发 GPIO 中断。
   • Kernel (ISR) : 执行 gpio_key_isr。
     • put_key(key): 数据存入环形缓冲区。
     • kill_fasync(...): 遍历 button_fasync 链表，找到 APP 的 PID，发送 SIGIO 信号。
3. 响应阶段 ：
   • Kernel : 暂停 APP 当前的 printf，强制跳转到注册好的 sig_fun 函数。
   • APP (sig_fun) :
     • 执行 read(fd, ...)。
     • read 进入驱动 gpio_key_drv_read。
     • 驱动发现缓冲区有数据 (!is_key_buf_empty())，直接拷贝数据返回，不休眠。
     • APP 打印用户按下的按键值。
   • APP : sig_fun 执行完毕，回到 main 函数刚才被打断的地方继续运行。

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五、 关键代码细节解析

1. 环形缓冲区的配合

注意看 gpio_key_isr：

put_key(key);      // 先存数据
wake_up...         // 再唤醒阻塞者
kill_fasync...     // 最后通知异步者

顺序很重要。必须先让数据入队（put_key），然后再发信号。否则 APP 收到信号跑来调用 read，结果发现缓冲区是空的，又会进去休眠，导致逻辑混乱。

3. POLL_IN

在 kill_fasync 中使用的 POLL_IN (带下划线) 是告诉 APP：信号产生的原因是"有数据可读"。这与 POLLIN (无下划线) 在 poll 函数中作为返回值的意义在逻辑上是一致的，但定义来源不同。

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六、 总结

通过这组代码，可以掌握 Linux 驱动中最高级的 IO 交互方式之一。

• 优点：APP 不需要死等，也不需要不停问，CPU 利用率极高，响应速度极快（中断级）。
• 缺点：APP 编写稍微复杂一点（需要处理信号），且信号处理函数中不能进行太耗时的操作（类似于中断处理）。