彻底弄懂Linux驱动中的异步通知的概念和作用 |
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彻底弄懂Linux驱动中的异步通知的概念和作用
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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。 在设备驱动中使用异步通知可以使得在进行对设备的访问时， 由驱动主动通知应用程序进行访问。 这样， 使用非阻塞I/O的应用程序无须轮询设备是否可访问， 而阻塞访问也可以被类似“中断”的异步通知所取代。除了异步通知以外， 应用还可以在发起I/O请求后， 立即返回。 之后， 再查询I/O完成情况， 或者I/O完成后被调回。 这个过程叫作异步I/O。 【文章福利】小编推荐自己的Linux内核源码交流群:【869634926】整理了一些个人觉得比较好的学习书籍、视频资料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦！！！前50名可进群领取，并额外赠送一份价值600的内核资料包（含视频教程、电子书、实战项目及代码)！ 点击下方链接即可免费领取内核相关学习资料哦学习直通车：Linux内核源码/内存调优/文件系统/进程管理/设备驱动/网络协议栈 学习目标 1、掌握异步通知的概念和作用 2、掌握Linux异步通知的编程方法 开发工具 硬件工具1）exynos4412 开发板3）PC 机4）串口软件工具1）虚拟机 Vmware2）Ubuntu12.04.23）超级终端（串口助手） 01 异步通知的概念和作用异步通知的意思是： 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,即：由驱动发起，主动通知应用程序。 由此可见， 这几种I/O方式可以相互补充。 下面三张图分别呈现了阻塞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：    注：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 02 Linux的信号使用信号进行进程间通信（IPC） 是UNIX中的一种传统机制， Linux也支持这种机制。 在Linux中， 异步通知使用信号来实现。 在linux终端中输入“kill -l ”命令即可查看所有支持的信号，如下所示：  编号为1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为32 ~ 64的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)。不可靠信号和可靠信号的区别在于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。 传统UNIX支持的信号及其定义如下表所示： SIGABRTSIGFPE 信号值含义SIGHUP1本信号在用户终端连接(正常或非正常)结束时发出, 通常是在终端的控制进程结束时, 通知同一session内的各个作业, 这时它们与控制终端不再关联。登录Linux时，系统会分配给登录用户一个终端(Session)。在这个终端运行的所有程序，包括前台进程组和后台进程组，一般都属于这个Session。当用户退出Linux登录时，前台进程组和后台有对终端输出的进程将会收到SIGHUP信号。这个信号的默认操作为终止进程，因此前台进程组和后台有终端输出的进程就会中止。不过可以捕获这个信号，比如wget能捕获SIGHUP信号，并忽略它，这样就算退出了Linux登录，wget也能继续下载。此外，对于与终端脱离关系的守护进程，这个信号用于通知它重新读取配置文件。SIGINT2程序终止(interrupt)信号, 在用户键入INTR字符(通常是Ctrl-C)时发出，用于通知前台进程组终止进程。SIGQUIT3和SIGINT类似, 但由QUIT字符(通常是Ctrl-/)来控制. 进程在因收到SIGQUIT退出时会产生core文件, 在这个意义上类似于一个程序错误信号。SIGILL4执行了非法指令. 通常是因为可执行文件本身出现错误, 或者试图执行数据段. 堆栈溢出时也有可能产生这个信号。SIGTRAP5由断点指令或其它trap指令产生. 由debugger使用。6调用abort函数生成的信号。SIGBUS7非法地址, 包括内存地址对齐(alignment)出错。比如访问一个四个字长的整数, 但其地址不是4的倍数。它与SIGSEGV的区别在于后者是由于对合法存储地址的非法访问触发的(如访问不属于自己存储空间或只读存储空间)。SIGFPE8在发生致命的算术运算错误时发出. 不仅包括浮点运算错误, 还包括溢出及除数为0等其它所有的算术的错误SIGKILL9用来立即结束程序的运行. 本信号不能被阻塞、处理和忽略。如果管理员发现某个进程终止不了，可尝试发送这个信号。SIGUSR110留给用户使用SIGSEGV11试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据.SIGUSR212留给用户使用SIGPIPE13管道破裂。这个信号通常在进程间通信产生，比如采用FIFO(管道)通信的两个进程，读管道没打开或者意外终止就往管道写，写进程会收到SIGPIPE信号。此外用Socket通信的两个进程，写进程在写Socket的时候，读进程已经终止。SIGALRM14时钟定时信号, 计算的是实际的时间或时钟时间. alarm函数使用该信号.SIGTERM15程序结束(terminate)信号, 与SIGKILL不同的是该信号可以被阻塞和处理。通常用来要求程序自己正常退出，shell命令kill缺省产生这个信号。如果进程终止不了，我们才会尝试SIGKILL。SIGSTKFLT16linux专用，数学协处理器的栈异常SIGCHLD17子进程结束时, 父进程会收到这个信号。如果父进程没有处理这个信号，也没有等待(wait)子进程，子进程虽然终止，但是还会在内核进程表中占有表项，这时的子进程称为僵尸进程。这种情况我们应该避免(父进程或者忽略SIGCHILD信号，或者捕捉它，或者wait它派生的子进程，或者父进程先终止，这时子进程的终止自动由init进程来接管)。SIGCONT18让一个停止(stopped)的进程继续执行. 本信号不能被阻塞. 可以用一个handler来让程序在由stopped状态变为继续执行时完成特定的工作. 例如, 重新显示提示符SIGSTOP19停止(stopped)进程的执行. 注意它和terminate以及interrupt的区别:该进程还未结束, 只是暂停执行. 本信号不能被阻塞, 处理或忽略.SIGTSTP20停止进程的运行, 但该信号可以被处理和忽略. 用户键入SUSP字符时(通常是Ctrl-Z)发出这个信号SIGTTIN21当后台作业要从用户终端读数据时, 该作业中的所有进程会收到SIGTTIN信号. 缺省时这些进程会停止执行.SIGTTOU22类似于SIGTTIN, 但在写终端(或修改终端模式)时收到.SIGURG23有"紧急"数据或out-of-band数据到达socket时产生.SIGXCPU24超过CPU时间资源限制. 这个限制可以由getrlimit/setrlimit来读取/改变。SIGXFSZ25当进程企图扩大文件以至于超过文件大小资源限制。SIGVTALRM26虚拟时钟信号. 类似于SIGALRM, 但是计算的是该进程占用的CPU时间.SIGPROF27类似于SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括该进程用的CPU时间以及系统调用的时间.SIGWINCH28窗口大小改变时发出.SIGIO29文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作.SIGPWR30Power failureSIGSYS31非法的系统调用。在以上列出的信号中，程序不可捕获、阻塞或忽略的信号有：SIGKILL,SIGSTOP不能恢复至默认动作的信号有：SIGILL,SIGTRAP默认会导致进程流产的信号有：SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT, SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ默认会导致进程退出的信号有：SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL, SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2, SIGVTALRM默认会导致进程停止的信号有：SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU默认进程忽略的信号有：SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH 此外，SIGIO在SVR4是退出，在4.3BSD中是忽略；SIGCONT在进程挂起时是继续，否则是忽略，不能被阻塞。 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。 03 信号的捕获1、函数介绍 在用户程序中， 为了捕获信号， 可以使用signal()函数来设置对应信号的处理函数： void (*signal(int signum, void (*handler))(int)))(int); 该函数原型较难理解， 它可以分解为：typedef void (*sighandler_t)(int);sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));第一个参数指定信号的值， 第二个参数指定针对前面信号值的处理函数， 若为SIG_IGN， 表示忽略该信号； 若为SIG_DFL， 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。如果signal()调用成功， 它返回最后一次为信号signum绑定的处理函数的handler值， 失败则返回SIG_ERR。 在进程执行时， 按下“Ctrl+C”将向其发出SIGINT信号， 正在运行kill的进程将向其发出SIGTERM信号， 以下代码的进程可捕获这两个信号并输出信号值： void sigterm_handler(int signo) { printf("Have caught sig N.O. %d\n", signo); exit(0); } int main(void) { signal(SIGINT, sigterm_handler); signal(SIGTERM, sigterm_handler); while(1); return 0; }除了signal()函数外， sigaction()函数可用于改变进程接收到特定信号后的行为， 它的原型为：int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));第一个参数为信号的值， 可以是除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号。 第二个参数是指向结构体sigaction的一个实例的指针， 在结构体sigaction的实例中， 指定了对特定信号的处理函数， 若为空， 则进程会以缺省方式对信号处理； 第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理函数， 可指定oldact为NULL。 如果把第二、 第三个参数都设为NULL， 那么该函数可用于检查信号的有效性。 2、例子说明 下面是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。 用户输入后， 应用程序将接收到SIGIO信号， 其处理函数input_handler()将被调用， 如代码所示： #include #include #include #include #include #include #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); } void main() { int oflags; /* 启动信号驱动机制 */ /*为SIGIO信号安装input_handler()作为处理函数*/ signal(SIGIO, input_handler); /*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*/ fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid()); /*而为了启用异步通知机制， 还需对设备设置FASYNC标志， 下面两行行代码可实现此目的。 */ 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 没有这个死循会立即执行完毕 */ while (1); }整个程序的执行效果如下图：  从中可以看出， 当用户输入一串字符后（如：hello world和hello linux）， 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。1） 通过F_SETOWN IO控制命令设置设备文件的拥有者为本进程， 这样从设备驱动发出的信号才能被本进程接收到。2） 通过F_SETFL IO控制命令设置设备文件以支持FASYNC， 即异步通知模式。3） 通过signal()函数连接信号和信号处理函数。 04 信号的释放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， 如下图所示为异步通知处理过程中用户空间和设备驱动的交互：  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， 两个函数分别是：1） 处理FASYNC标志变更的函数。int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);2） 释放信号用的函数。void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band); 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， 如下代码清单给出了支持异步通知的设备结构体模板： struct xxx_dev { struct cdev cdev; /* cdev结构体*/ ... struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体指针 */ };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。 下面的代码清单给出了支持异步通知的设备驱动程序fasync()函数的模板。 static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int mode) { struct xxx_dev *dev = filp->private_data; return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue); }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。 下面的代码清单给出了释放信号的范例: 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。 下面的代码给出了支持异步通知的设备驱动release()函数的模板。 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; } 文献参考：https://mp.weixin.qq.com/s/7znj6jyWYMo1hk3RRb-cfw（版权归原作者所有，侵删）猜你喜欢 最新干货！使用eBPF LSM热修复Linux内核漏洞 深度剖析Linux内核通用链表与内存池的使用 盘点那些Linux内核调试手段——内核打印 Linux 环境下网络分析和抓包是怎么操作的？ 浅谈ARM64Linux内核页表的块映射 解决Linux内核调测两大难题：内存被改与内存泄露 
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