Linux 应用层开发入门（二十三）| 异步通知方式读取输入数据

1 异步通知的核心概念

在Linux应用开发中，I/O操作的处理方式分为同步和异步两种：

• 同步I/O：应用程序发起读取/写入请求后，会阻塞等待操作完成，即 "你慢我等你"；
• 异步通知：应用程序无需阻塞等待，驱动程序有数据时主动向应用发送信号，应用收到信号后再处理数据，即 "你忙你的，有情况通知我"。

1.1 异步通知的核心要素

异步通知的本质是 "信号驱动的 I/O"，核心问题可归纳为7个关键点：

核心问题	答案
谁发信号？	内核驱动程序
发什么信号？	SIGIO（表示有IO事件待处理）
怎么发信号？	内核提供专用函数接口
发给谁？	目标应用程序（需告知进程ID）
收到信号做什么？	执行预先注册的信号处理函数
信号与函数如何关联？	应用通过signal()注册映射关系
如何控制通知开关？	设置文件描述符的FASYNC标志位

Linux系统中定义了数十种信号（内核头文件include/uapi/asm-generic/signal.h），异步I/O通知固定使用SIGIO信号，专门用于标识 "输入输出事件就绪"。

2 异步通知的应用层实现步骤

要实现基于异步通知的输入设备数据读取，应用程序需完成5个核心步骤：

1. 编写信号处理函数 ：当驱动发送SIGIO信号时，内核会触发该函数执行，核心逻辑是读取驱动中的输入数据并处理。
2. 注册信号处理函数 ：通过signal()函数将SIGIO信号与自定义的处理函数绑定，建立 "信号-处理逻辑" 的映射关系。
3. 打开输入设备节点 ：以非阻塞模式打开目标输入设备（如/dev/input/event0），避免读取操作意外阻塞。
4. 告知驱动进程ID ：通过fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将应用进程ID告知驱动，让驱动知道该向哪个进程发信号。
5. 使能异步通知功能 ：通过fcntl获取文件描述符的当前标志位，添加FASYNC标志后重新设置，开启驱动的异步通知能力。

3 输入设备的异步通知实战

输入设备（如键盘、鼠标、触摸屏）在Linux系统中统一以/dev/input/eventX节点呈现，数据格式为input_event结构体，包含事件类型、事件码、事件值三个核心字段。

3.1 核心数据结构说明

// 输入事件结构体（内核头文件linux/input.h定义）
struct input_event {
    struct timeval time;  // 事件发生时间
    __u16 type;           // 事件类型（如EV_KEY表示按键、EV_REL表示相对坐标）
    __u16 code;           // 事件码（如KEY_ENTER表示回车按键）
    __s32 value;          // 事件值（如1表示按下、0表示松开）
};

3.2 关键 API 说明

函数 / 宏	作用
signal(SIGIO, handler)	注册SIGIO信号的处理函数
fcntl(fd, F_SETOWN, pid)	设置信号接收进程ID
fcntl(fd, F_GETFL)	获取文件描述符的标志位
fcntl(fd, F_SETFL, flags)	设置文件描述符的标志位
EVIOCGID	IOCTL命令，获取输入设备ID信息
EVIOCGBIT	IOCTL命令，获取设备支持的事件类型

4 完整代码

以下是基于异步通知读取输入设备数据的完整代码，可直接编译运行：

#include <linux/input.h>   // 输入设备相关结构体/宏定义
#include <sys/types.h>     // 基本类型定义
#include <sys/stat.h>      // 文件状态相关
#include <fcntl.h>         // 文件控制（fcntl）相关
#include <sys/ioctl.h>     // IOCTL相关
#include <stdio.h>         // 标准输入输出
#include <string.h>        // 字符串操作
#include <unistd.h>        // 系统调用（sleep/getpid等）
#include <signal.h>        // 信号相关

// 全局文件描述符，信号处理函数中需访问
int fd;

/**
 * @brief SIGIO信号处理函数：读取输入设备事件并打印
 * @param sig 接收到的信号值（此处固定为SIGIO）
 */
void my_sig_handler(int sig)
{
    struct input_event event;  // 输入事件结构体
    
    // 循环读取所有就绪的事件（非阻塞模式，无数据时read返回-1）
    while(read(fd, &event, sizeof(event)) == sizeof(event))
    {
        // 打印事件类型、事件码、事件值
        printf("get event: type=0x%x , code=0x%x , value=0x%x\n", 
               event.type, event.code, event.value);
    }
}

/**
 * @brief 主函数：初始化异步通知并进入主循环
 * @param argc 参数个数
 * @param argv 参数列表：argv[1]为输入设备节点（如/dev/input/event0）
 * @return 0-成功，-1-失败
 */
/* 运行方式：./05_input_read_fasync /dev/input/event0 */
int main(int argc, char **argv)
{
    int err;
    int len;
    int i;
    unsigned char byte;
    int bit;
    struct input_id id;        // 输入设备ID结构体
    unsigned int evbit[2];     // 存储设备支持的事件类型位图
    unsigned int flags;        // 文件描述符标志位
    int count = 0;             // 主循环计数器
    
    // 事件类型名称映射表（简化版，仅列举常用类型）
    char *ev_names[] = {
        "EV_SYN",  "EV_KEY",  "EV_REL",  "EV_ABS",
        "EV_MSC",  "EV_SW",   "NULL",    "NULL",
        "NULL",    "NULL",    "NULL",    "NULL",
        "NULL",    "NULL",    "NULL",    "NULL",
        "NULL",    "EV_LED",  "EV_SND",  "NULL",
        "EV_REP",  "EV_FF",
    };
    
    // 检查参数个数（必须传入设备节点路径）
    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 1. 注册SIGIO信号处理函数：绑定信号与处理逻辑
    signal(SIGIO, my_sig_handler);
    
    // 2. 打开输入设备：O_NONBLOCK非阻塞模式，避免read阻塞
    fd = open(argv[1], O_RDWR|O_NONBLOCK);
    if(fd < 0)
    {
        printf("open %s error\n", argv[1]);
        return -1;		
    }

    // 3. 获取输入设备ID信息（厂商、产品ID等）
    err = ioctl(fd, EVIOCGID, &id);
    if(err == 0)
    {
        printf("===== Device ID Info =====\n");
        printf("bustype = 0x%x\n", id.bustype);
        printf("vendor  = 0x%x\n", id.vendor);
        printf("product = 0x%x\n", id.product);
        printf("version = 0x%x\n", id.version);
        printf("==========================\n");
    }

    // 4. 获取设备支持的事件类型位图
    len = ioctl(fd, EVIOCGBIT(0, sizeof(evbit)), &evbit);
    if(len > 0 && len <= sizeof(evbit))
    {
        printf("support ev type: ");
        // 解析位图，打印支持的事件类型
        for(i=0; i<len; i++)
        {
            byte = ((unsigned char *)evbit)[i];
            for(bit=0 ; bit<8; bit++)
            {
                if(byte & (1<<bit))
                {
                    // 通过映射表打印事件类型名称
                    printf("%s ", ev_names[i*8+bit]);
                }
            }
        }
        printf("\n");
    }
    
    // 5. 告知驱动：将SIGIO信号发送给当前进程（getpid()获取当前进程ID）
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    
    // 6. 使能异步通知：添加FASYNC标志位
    flags = fcntl(fd, F_GETFL);          // 获取当前标志位
    fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); // 设置新标志位（保留原有，添加FASYNC）
    
    // 主循环：模拟应用的其他业务逻辑
    while(1)
    {
        printf("main loop count = %d\n", count++);
        sleep(2);  // 每2秒打印一次，证明主循环不阻塞
    }
    
    close(fd);  // 实际运行中主循环不会退出，此处仅为代码完整性
    return 0;
}

4.1 编译与运行

编译命令：

gcc 05_input_read_fasync.c -o 05_input_read_fasync

运行命令（需替换为实际的输入设备节点）：

# 查看系统输入设备
ls /dev/input/
# 运行程序（需root权限，否则可能无访问权限）
sudo ./05_input_read_fasync /dev/input/event0

运行效果：

• 主循环每2秒打印一次main loop count；
• 当操作输入设备（如按键盘、移动鼠标）时，会触发SIGIO信号，立即打印事件详情。

5 关键注意事项

1. 非阻塞模式 ：打开设备时必须添加O_NONBLOCK，否则信号处理函数中的read可能阻塞，导致主循环卡死；
2. 权限问题 ：/dev/input/eventX默认仅root可访问，需使用sudo运行程序，或修改设备节点权限；
3. 信号重入：信号处理函数应尽量简洁，避免复杂逻辑，防止信号嵌套触发；
4. 资源释放：实际应用中需处理退出信号（如 SIGINT），在退出前关闭文件描述符。

6 总结

• 异步通知的核心是SIGIO信号驱动，应用无需阻塞等待数据，由驱动主动触发处理逻辑；
• 应用层实现异步通知需完成 5 个步骤：编写信号处理函数→注册信号→打开设备→告知进程 ID→使能 FASYNC 标志；
• 输入设备的异步读取需结合input_event结构体解析数据，且必须以非阻塞模式打开设备避免死锁。