linux设备驱动归纳总结（三）：6.poll和sellct

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接下来会讲系统调用select在驱动中的实现，如果对系统调用select不太懂的话，建议先看书补习一下。

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一、系统调用select的简介

简单来说，select这个系统调用的作用就是在应用层调用驱动函数中的poll来检测指定的文件的状态（读、写和异常）。如果某个状态满足，select函数调用成功后返回，应用程序就可以通过指定的函数来判断现在的文件状态。注意的是：select可以指定判断的时间，指定时间内，应用程序会阻塞在select函数，直到状态满足或者超时。

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二、驱动函数poll的实现

先上代码：

9 #include <linux/poll.h>

10

11 #include <asm/uaccess.h>

12 #include <linux/errno.h>

。。。。。。省略。。。。。。

23 struct _test_t{

24 char kbuf[DEV_SIZE];

25 unsigned int major;

26 unsigned int minor;

27 unsigned int cur_size;

28 dev_t devno;

29 struct cdev test_cdev;

30 wait_queue_head_t test_queue;

31 wait_queue_head_t read_queue; //定义等待队列

32 };

。。。。。。省略。。。。。。。

70 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

71 {

72 int ret;

73 struct _test_t *dev = filp->private_data;

74

75 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){

76 ret = - EFAULT;

77 }else{

78 ret = count;

79 dev->cur_size += count;

80 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

81 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);

82 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);

83 wake_up_interruptible(&dev->read_queue); //唤醒等待队列

84 }

85

86 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

87 }

88 /*poll的实现*/

89 unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)

90 {

91 struct _test_t *dev = filp->private_data;

92 unsigned int mask = 0;

93

94 poll_wait(filp, &dev->read_queue, table);

95

96 if(dev->cur_size > 0) //设备可读

97 mask |= POLLIN;

98

99 P_DEBUG("***maks[%d]***\n", mask);

100 return mask;

101 }

102

103 struct file_operations test_fops = {

104 .open = test_open,

105 .release = test_close,

106 .write = test_write,

107 .read = test_read,

108 .poll = test_poll, //切记要添加，不然多牛X的代码都不能执行

109 };

110

111 struct _test_t my_dev;

112

113 static int __init test_init(void) //模块初始化函数

114 {

115 int result = 0;

116 my_dev.cur_size = 0;

117 my_dev.major = 0;

118 my_dev.minor = 0;

119

120 if(my_dev.major){

121 my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);

122 result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;

123 }else{

124 result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");

125 my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);

126 my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);

127 }

128

129 if(result < 0){

130 P_DEBUG("register devno errno!\n");

131 goto err0;

132 }

133

134 printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);

135

136 cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);

137 my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;

138 /*初始化等待队列头，注意函数调用的位置*/

139 init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);

140 init_waitqueue_head(&my_dev.read_queue);

141

142 result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);

143 if(result < 0){

144 P_DEBUG("cdev_add errno!\n");

145 goto err1;

146 }

147

148 printk("hello kernel\n");

149 return 0;

150

151 err1:

152 unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);

153 err0:

154 return result;

155 }

。。。。。省略。。。。。

poll函数的实现同样需要使用等待队列，在这里没有把上节阻塞型IO代码注释掉，主要是想说明一个问题，它们两个的功能是不一样的，并不会冲突。后面会具体讲述。

上面的函数其实也就三部：

1定义并初始化等待队列头；

2实现test_poll；

3唤醒等待队列。

接下来先对照程序说一下poll函数的实现：

1）定义等待队列头：

poll_wait函数里面的操作需要用到等待队列，所以需要定义并初始化等待队列头。

2）test_poll的实现：

test_poll的实现有两个步骤：

2.1）调同poll_wait，将进程添加到指定的等待队列（注意，仅仅是添加，没有休眠）。

poll_wait的原型是：

unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)

注意：这里的两个参数都不是用户传给它的，全部都是有内核传的。可以这样说，poll没有做实际的什么操作，只是返回些信息给内核来操作。

来个代码来分析poll_wait究竟干了什么：

/*include/linux/poll.h */

31 typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);

32

33 typedef struct poll_table_struct { //poll_table_struct的原型

34 poll_queue_proc qproc;

35 } poll_table;

36

37 static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

38 {

39 if (p && wait_address)

40 p->qproc(filp, wait_address, p); //这里就断了线索

41 }

42

43 static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)

44 {

45 pt->qproc = qproc;

46 }

47

48 struct poll_table_entry {

49 struct file *filp;

50 wait_queue_t wait;

51 wait_queue_head_t *wait_address;

52 };

。。。。。省略。。。。。

57 struct poll_wqueues {

58 poll_table pt;

59 struct poll_table_page *table;

60 struct task_struct *polling_task;

61 int triggered;

62 int error;

63 int inline_index;

64 struct poll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];

65 };

poll_wait执行了一个函数，但没找出函数是做什么的。在另外的文件我找到一点线索：

/*fs/select.c*/

85 struct poll_table_page {

86 struct poll_table_page * next;

87 struct poll_table_entry * entry;

88 struct poll_table_entry entries[0];

89 };

。。。。。。。。

198 /* Add a new entry */

199 static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,

200 poll_table *p)

201 {

202 struct poll_wqueues *pwq = container_of(p, struct poll_wqueues, pt);

203 struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);

204 if (!entry)

205 return;

206 get_file(filp);

207 entry->filp = filp;

208 entry->wait_address = wait_address;

209 init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake);

210 entry->wait.private = pwq;

211 add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);

212 }

因为函数的传参和名字都差不多，我猜想内核是调用该函数的。

从上面的代码和《设备驱动程序》我得出来一下的结论：

1.应用层调用函数select，内核为了管理等待队列（有时候不止一个等待队列，因为select函数可以检测多个文件的状态），建立了一个poll_table_struct结构体（一个select系统调用对应一个结构体）。

2.poll_wait函数的调用，将三个参数传给了内核。内核中，通过结构体poll_table_struct找到另一个结构体poll_table_page，上面的代码可以看出来，这个结构体是一个维护多个poll_table_entry结构体的内存页链表，poll_wait函数的参数就是传到poll_table_entry结构体中。

3.再看一下poll_table_entry里面的成员，第一个成员srutct file是poll_wait的第一个参数，第二个成员就是定义了一个wait_queue_t的结构体，而这个结构体是正要添加到等待队列头中，也就是从poll_wait传来的第二个参数。

4.现在重头戏了，poll_wait的调用实际上调用了__pollwiat。看一下大概的操作：

4.1使用container_of函数，通过poll_table（即poll_table_struct）找到poll_wqueues，一看名字就猜到，它是存放等待队列的！poll_wqueues包含成员poll_table_page。

4.2通过传入的filp和等待队列头两个参数，新建一个poll_table_enter并添加到poll_table_page中。

2.2）对应设备的状态，返回相应的掩码。那就是说，如果设备可读，那就返回可读的掩码。

什么是掩码？有什么掩码？

当然，还有其他的掩码，我这里就不意义介绍。

3）唤醒等待队列

其实一开始我也很奇怪为什么需要唤醒，毕竟poll_wait函数并不会导致休眠。为什么要唤醒？在哪里唤醒？

我上面的驱动函数，test_poll返回掩码，如果掩码为0，则表示设备不可读，这时，内核接到返回的掩码，知道设备不可读，此时select函数就会阻塞，进程休眠，等待有数据时被唤醒。所以，在写入数据后，需要唤醒等待队列头read_queue。此时设备可读了，就会再次调用test_poll函数，返回掩码POLLIN，select调用成功。

所以，这里得出两个结论：

1.test_poll并不会导致休眠，进程阻塞是系统调用select搞的鬼。

2.系统调用select的阻塞会导致test_poll被调用多次。

既然大概知道了函数怎么写的。那就验证一下程序吧。应用程序我就不贴了。在app目录下，直接来结果：

现象一：先写后读

[root: 1st]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0

[root: app]# ./monitor& //1.先后台运行检测程序monitor

<kernel>[test_poll]***maks[0]*** //2.在我还没写之前，test_poll被调度了两遍后阻塞

<kernel>[test_poll]***maks[0]***

[root: app]# ./app_write //3过了一段时间，我写入数据

<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]

<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]

<kernel>[test_poll]***maks[1]*** //4.test_poll再次被调用，掩码改变了！

<app>monitor:[device readable]

[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[1]***

<app>monitor:[device readable] //5select隔四秒就调用一遍，没有被阻塞

<kernel>[test_poll]***maks[1]***

<app>monitor:[device readable]

<kernel>[test_poll]***maks[1]***

<app>monitor:[device readable]

<kernel>[test_poll]***maks[1]***

<app>monitor:[device readable]

[root: app]# ./app_read //6我读数据

<kernel>[test_read]read data.....

<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]

<app_read>[xiao bai]

[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[0]*** //7读完他又阻塞了。

现象二：先写后读

[root: app]# ./monitor& //1.先后台运行检测程序monitor

<kernel>[test_poll]***maks[0]*** //2.在我还没写之前，test_poll被调度了两遍后阻塞

<kernel>[test_poll]***maks[0]***

[root: app]# ./app_read& //3.再后台运行read

[root: app]# <kernel>[test_read]read data..... //4.它阻塞了，这里不关poll的原因，这是因为上节说的阻塞型IO

[root: app]# ./app_write //5.再写数据

<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]

<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]

<kernel>[test_poll]***maks[1]*** //select被唤醒，返回可读掩码

<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //test_read被唤醒，读取数据

<app>monitor:[device readable]

<app_read>[xiao bai]

[2] + Done ./app_read

[root: app]# <kernel>[test_poll]***maks[0]*** //没数据，select又阻塞了

注：上面的驱动程序使用了两个等待队列头，细心可以发现，其实只要一个等待队列头，就可以实现阻塞型IO和poll了。具体就不讲解了，程序在3rd_char_6/and，很简单的改动。

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三、poll同时检测可读和可写两个状态：

也很简单，直接上程序

/*3rd_char_6/2st/test.c*/

23 struct _test_t{

24 char kbuf[DEV_SIZE];

25 unsigned int major;

26 unsigned int minor;

27 unsigned int cur_size;

28 dev_t devno;

29 struct cdev test_cdev;

30 wait_queue_head_t test_queue;

31 wait_queue_head_t read_queue; //定义两个等待队列

32 wait_queue_head_t write_queue;

33 };

。。。。。。省略。。。。。。。

48 ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

49 {

50 int ret;

51 struct _test_t *dev = filp->private_data;

52

53 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)

54 return - EAGAIN;

55

56 P_DEBUG("read data.....\n");

57 if(wait_event_interruptible(dev->test_queue, dev->cur_size > 0))

58 return - ERESTARTSYS;

59

60 if (copy_to_user(buf, dev->kbuf, count)){

61 ret = - EFAULT;

62 }else{

63 ret = count;

64 dev->cur_size -= count;

65 P_DEBUG("read %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

66 wake_up_interruptible(&dev->write_queue);

67 }

68

69 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

70 }

71

72 ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)

73 {

74 int ret;

75 struct _test_t *dev = filp->private_data;

76

77 if(copy_from_user(dev->kbuf, buf, count)){

78 ret = - EFAULT;

79 }else{

80 ret = count;

81 dev->cur_size += count;

82 P_DEBUG("write %d bytes, cur_size:[%d]\n", count, dev->cur_size);

83 P_DEBUG("kbuf is [%s]\n", dev->kbuf);

84 wake_up_interruptible(&dev->test_queue);

85 wake_up_interruptible(&dev->read_queue);

86 }

87

88 return ret; //返回实际写入的字节数或错误号

89 }

90

91 unsigned int test_poll (struct file *filp, struct poll_table_struct *table)

92 {

93 struct _test_t *dev = filp->private_data;

94 unsigned int mask = 0;

95

96 poll_wait(filp, &dev->read_queue, table);

97 poll_wait(filp, &dev->write_queue, table);

98

99 if(dev->cur_size > 0) //设备可读

100 mask |= POLLIN;

101 if(dev->cur_size < DEV_SIZE) //设备可写

102 mask |= POLLOUT;

103

104 P_DEBUG("***************************\n");

105 return mask;

106 }

107

108 struct file_operations test_fops = {

109 .open = test_open,

110 .release = test_close,

111 .write = test_write,

112 .read = test_read,

113 .poll = test_poll,

114 };

115

116 struct _test_t my_dev;

117

118 static int __init test_init(void) //模块初始化函数

119 {

120 int result = 0;

121 my_dev.cur_size = 0;

122 my_dev.major = 0;

123 my_dev.minor = 0;

124

125 if(my_dev.major){

126 my_dev.devno = MKDEV(my_dev.major, my_dev.minor);

127 result = register_chrdev_region(my_dev.devno, 1, "test new driver") ;

128 }else{

129 result = alloc_chrdev_region(&my_dev.devno, my_dev.minor, 1, "test alloc diver");

130 my_dev.major = MAJOR(my_dev.devno);

131 my_dev.minor = MINOR(my_dev.devno);

132 }

133

134 if(result < 0){

135 P_DEBUG("register devno errno!\n");

136 goto err0;

137 }

138

139 printk("major[%d] minor[%d]\n", my_dev.major, my_dev.minor);

140

141 cdev_init(&my_dev.test_cdev, &test_fops);

142 my_dev.test_cdev.owner = THIS_MODULE;

143 /*初始化等待队列头，注意函数调用的位置*/

144 init_waitqueue_head(&my_dev.test_queue);

145 init_waitqueue_head(&my_dev.read_queue);

146 init_waitqueue_head(&my_dev.write_queue);

147

148 result = cdev_add(&my_dev.test_cdev, my_dev.devno, 1);

149 if(result < 0){

150 P_DEBUG("cdev_add errno!\n");

151 goto err1;

152 }

153

154 printk("hello kernel\n");

155 return 0;

156

157 err1:

158 unregister_chrdev_region(my_dev.devno, 1);

159 err0:

160 return result;

161 }

。。。。。。。省略。。。。。。。

验证一下：注意的是，这次的select并没有阻塞，原因很简单，要不就可读要不就可写，肯定有掩码返回，根本不用阻塞。

[root: app]# ./monitor& //1.执行建材程序

[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[4]***//2每个四秒调用一次select,没阻塞

<app>monitor:[device writeable]

<kernel>[test_poll]***mask[4]***

<app>monitor:[device writeable]

<kernel>[test_poll]***mask[4]***

<app>monitor:[device writeable]

[root: app]# ./app_write //3写入数据

<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]

<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]

[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[5]***

<app>monitor:[device readable] //4掩码改变，但没有阻塞

<app>monitor:[device writeable]

<kernel>[test_poll]***mask[5]***

<app>monitor:[device readable]

<app>monitor:[device writeable]

<kernel>[test_poll]***mask[5]***

<app>monitor:[device readable]

<app>monitor:[device writeable]

[root: app]# ./app_read //5读取数据

<kernel>[test_read]read data.....

<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]

<app_read>[xiao bai]

[root: app]# <kernel>[test_poll]***mask[4]***

<app>monitor:[device writeable] //6掩码改变，但没有阻塞

<kernel>[test_poll]***mask[4]***

<app>monitor:[device writeable]

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四、select的阻塞操作

上面说了select会造成休眠，接下来简单的谈谈。select里面会调用函数do_select。

贴上程序，并附上大致的运行顺序：

/*fs/select.c*/

365 int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)

366 {

367 ktime_t expire, *to = NULL;

368 struct poll_wqueues table; //1.这个就是前面说用来方等待队列的poll_wqueues

。。。。省略。。。。

380

381 poll_initwait(&table);

382 wait = &table.pt;

383 if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {

384 wait = NULL;

385 timed_out = 1;

386 }

387

388 if (end_time && !timed_out)

389 slack = estimate_accuracy(end_time);

390

391 retval = 0;

392 for (;;) { //2.注意这个大循环，如果条件不成立休眠后，唤醒正在这个大循环里

393 unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;

394

395 inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;

396 rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;

397

398 for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {

。。。。。省略。。。。。

411 for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {

412 int fput_needed;

413 if (i >= n)

414 break;

415 if (!(bit & all_bits))

416 continue;

417 file = fget_light(i, &fput_needed);

418 if (file) { //3.循环里面里边所有所有被检测的filp

419 f_op = file->f_op;

420 mask = DEFAULT_POLLMASK;

421 if (f_op && f_op->poll) //4.调用我们实现的poll函数，这也是poll被多次调用的原因，以为他在循环里面。

422 mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);

423 fput_light(file, fput_needed);

424 if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) { //5.判断poll返回的掩码，只要掩码不是0，下面的起码有一个条件会实现。retval++。

425 res_in |= bit;

426 retval++;

427 }

428 if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {

429 res_out |= bit;

430 retval++;

431 }

432 if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {

433 res_ex |= bit;

434 retval++;

435 }

436 }

437 }

438 if (res_in)

439 *rinp = res_in;

440 if (res_out)

441 *routp = res_out;

442 if (res_ex)

443 *rexp = res_ex;

444 cond_resched();

445 }

446 wait = NULL;

447 if (retval || timed_out || signal_pending(current))//6.如果条件成立或者 延时或者被中断

448 break; //7.调用break跳出大循环，do_select调用完毕

449 if (table.error) {

450 retval = table.error;

451 break;

452 }

453

454 /*

455 * If this is the first loop and we have a timeout

456 * given, then we convert to ktime_t and set the to

457 * pointer to the expiry value.

458 */

459 if (end_time && !to) {

460 expire = timespec_to_ktime(*end_time);

461 to = &expire;

462 }

463 /*8如果上面的条件没有成立，走到这里，进程状态改变有TASK_INTERRUPTIBLE，并加入指定的等待队列头，让出CPU，进程休眠，等待唤醒*/

464 if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE,

465 to, slack))

466 timed_out = 1;

467 }

468

469 poll_freewait(&table);

470

471 return retval;

472 }

上面只是想说明：poll只是做了一个判断工作，真正的阻塞在select中。

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五、总结：

今天内容有讲完了，讲了以下内容：

1、poll的实现：

1.1调用poll_wait

1.2返回掩码。

2.poll_wait的实现。

3.select中的阻塞。

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源代码： 3rd_char_6.rar