Linux高级字符设备之Poll操作

在用户程序中，select()和poll()也是与设备阻塞与非阻塞访问息息相关的，使用非阻塞I/O的应用程序通常会使用select和poll系统调用查询是否可对设备进行无阻塞的访问。select系统调用最终会引发设备驱动中的poll函数被执行。

一、select()系统调用：

用于多路监控，当没有一个文件满足要求时，select将阻塞调用进程。

1.select()原型：

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,const struct timeval *timeout);
/*
*@maxfd : 需要检查的文件描述符个数，数值应该比是三组fd_set中最大数更大(即一般取所有文件描述符的最大值加1)，而不是实际文件描述符的总数。
*@readfds: 用来检查可读性的一组文件描述符。
*@writesfds: 用来检查可写性的一组文件描述符。
*@exceptsfds:用来检查意外状态的文件描述符。(注：错误并不是意外状态)
*@timeout:NULL指针代表无限等待，否则是指向timeval结构的指针，代表最长等待时间。(如果其中tv_sec和tv_usec都等于0, 则文件描述符的状态不被影响，但函数并不挂起)

返回值：

（1）正常情况下返回满足要求的文件描述符个数；

（2）经过了timeout等待后仍无文件满足要求，返回0；

（3）如果select被某个信号中断，将返回-1并设置errno为EINTR；

（4）若出错，返回-1并设置相应的errno；

2.select的使用方法：

（1）将要监控的文件添加到文件描述符集；

（2）调用select开始监控；

（3）判断文件是否发生变化；

3.系统提供四个宏对描述符集进行操作

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中；
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd；
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集中的文件fd发生了变化
void FD_ZERO(fd_set *fdset);//清空文件描述符集

二、Poll方法：

1.poll函数原型：

unsigned int(*poll)(struct file *filp, struct poll_table *wait);
//第一个参数为file结构体指针，第二个参数为轮询表指针。

这个函数应该进行以下两项工作:

（1）对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait()函数，将对应等待队列添加到poll_table中；

（2）返回表示是否能对设备进行无阻塞可读或可写访问的掩码；

　　位掩码：POLLRDNORM， POLLIN，POLLOUT，POLLWRNORM

　　设备可读，通常返回：(POLLIN | POLLRDNORM)

　　设备可写，通常返回：(POLLOUT | POLLWRNORM)

三、调用过程：

Linux下select调用的过程:

1、用户层应用程序调用select(),底层调用poll())

2、核心层调用sys_select() ------> do_select()

　　最终调用文件描述符fd对应的struct file类型变量的struct file_operations *f_op的poll函数。

　　poll指向的函数返回当前可否读写的信息。

　　1)如果当前可读写，返回读写信息。

　　2)如果当前不可读写，则阻塞进程，并等待驱动程序唤醒，重新调用poll函数，或超时返回。

3、驱动需要实现poll函数。

当驱动发现有数据可以读写时，通知核心层，核心层重新调用poll指向的函数查询信息。

poll_wait(filp,&wait_q,wait) // 此处将当前进程加入到等待队列中，但并不阻塞

　在中断中使用wake_up_interruptible(&wait_q)唤醒等待队列。

四、实例分析：

1.memdev.h

  1. #ifndef _MEMDEV_H_
  2. #define _MEMDEV_H_
  3. #ifndef MEMDEV_MAJOR
  4. #define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/
  5. #endif
  6. #ifndef MEMDEV_NR_DEVS
  7. #define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
  8. #endif
  9. #ifndef MEMDEV_SIZE
  10. #define MEMDEV_SIZE 4096
  11. #endif
  12. /*mem设备描述结构体*/
  13. struct mem_dev
  14. {
  15. char *data;
  16. unsigned long size;
  17. wait_queue_head_t inq;
  18. };
  19. #endif /* _MEMDEV_H_ */

2.memdev.c

  1. #include <linux/module.h>
  2. #include <linux/types.h>
  3. #include <linux/fs.h>
  4. #include <linux/errno.h>
  5. #include <linux/mm.h>
  6. #include <linux/sched.h>
  7. #include <linux/init.h>
  8. #include <linux/cdev.h>
  9. #include <asm/io.h>
  10. #include <asm/system.h>
  11. #include <asm/uaccess.h>
  12. #include <linux/poll.h>
  13. #include "memdev.h"
  14. static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
  15. bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/
  16. module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
  17. struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
  18. struct cdev cdev;
  19. /*文件打开函数*/
  20. int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
  21. {
  22. struct mem_dev *dev;
  23. /*获取次设备号*/
  24. int num = MINOR(inode->i_rdev);
  25. if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
  26. return -ENODEV;
  27. dev = &mem_devp[num];
  28. /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
  29. filp->private_data = dev;
  30. return 0;
  31. }
  32. /*文件释放函数*/
  33. int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
  34. {
  35. return 0;
  36. }
  37. /*读函数*/
  38. static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
  39. {
  40. unsigned long p =  *ppos;
  41. unsigned int count = size;
  42. int ret = 0;
  43. struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
  44. /*判断读位置是否有效*/
  45. if (p >= MEMDEV_SIZE)
  46. return 0;
  47. if (count > MEMDEV_SIZE - p)
  48. count = MEMDEV_SIZE - p;
  49. while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while */
  50. {
  51. if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
  52. return -EAGAIN;
  53. wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
  54. }
  55. /*读数据到用户空间*/
  56. if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
  57. {
  58. ret =  - EFAULT;
  59. }
  60. else
  61. {
  62. *ppos += count;
  63. ret = count;
  64. printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  65. }
  66. have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
  67. /* 唤醒写进程 */
  68. return ret;
  69. }
  70. /*写函数*/
  71. static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
  72. {
  73. unsigned long p =  *ppos;
  74. unsigned int count = size;
  75. int ret = 0;
  76. struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
  77. /*分析和获取有效的写长度*/
  78. if (p >= MEMDEV_SIZE)
  79. return 0;
  80. if (count > MEMDEV_SIZE - p)
  81. count = MEMDEV_SIZE - p;
  82. /*从用户空间写入数据*/
  83. if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
  84. ret =  - EFAULT;
  85. else
  86. {
  87. *ppos += count;
  88. ret = count;
  89. printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  90. }
  91. have_data = true; /* 有新的数据可读 */
  92. /* 唤醒读进程 */
  93. wake_up(&(dev->inq));
  94. return ret;
  95. }
  96. /* seek文件定位函数 */
  97. static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
  98. {
  99. loff_t newpos;
  100. switch(whence) {
  101. case 0: /* SEEK_SET */
  102. newpos = offset;
  103. break;
  104. case 1: /* SEEK_CUR */
  105. newpos = filp->f_pos + offset;
  106. break;
  107. case 2: /* SEEK_END */
  108. newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
  109. break;
  110. default: /* can‘t happen */
  111. return -EINVAL;
  112. }
  113. if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
  114. return -EINVAL;
  115. filp->f_pos = newpos;
  116. return newpos;
  117. }
  118. unsigned int mem_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
  119. {
  120. struct mem_dev  *dev = filp->private_data;
  121. unsigned int mask = 0;
  122. /*将等待队列添加到poll_table */
  123. poll_wait(filp, &dev->inq,  wait);
  124. if (have_data)         mask |= POLLIN | POLLRDNORM;  /* readable */
  125. return mask;
  126. }
  127. /*文件操作结构体*/
  128. static const struct file_operations mem_fops =
  129. {
  130. .owner = THIS_MODULE,
  131. .llseek = mem_llseek,
  132. .read = mem_read,
  133. .write = mem_write,
  134. .open = mem_open,
  135. .release = mem_release,
  136. .poll = mem_poll,
  137. };
  138. /*设备驱动模块加载函数*/
  139. static int memdev_init(void)
  140. {
  141. int result;
  142. int i;
  143. dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
  144. /* 静态申请设备号*/
  145. if (mem_major)
  146. result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
  147. else  /* 动态分配设备号 */
  148. {
  149. result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
  150. mem_major = MAJOR(devno);
  151. }
  152. if (result < 0)
  153. return result;
  154. /*初始化cdev结构*/
  155. cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  156. cdev.owner = THIS_MODULE;
  157. cdev.ops = &mem_fops;
  158. /* 注册字符设备 */
  159. cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
  160. /* 为设备描述结构分配内存*/
  161. mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
  162. if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  163. {
  164. result =  - ENOMEM;
  165. goto fail_malloc;
  166. }
  167. memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
  168. /*为设备分配内存*/
  169. for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
  170. {
  171. mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
  172. mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
  173. memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
  174. /*初始化等待队列*/
  175. init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
  176. //init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].outq));
  177. }
  178. return 0;
  179. fail_malloc:
  180. unregister_chrdev_region(devno, 1);
  181. return result;
  182. }
  183. /*模块卸载函数*/
  184. static void memdev_exit(void)
  185. {
  186. cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  187. kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  188. unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
  189. }
  190. MODULE_AUTHOR("David Xie");
  191. MODULE_LICENSE("GPL");
  192. module_init(memdev_init);
  193. module_exit(memdev_exit);

3.app-write.c

  1. #include <stdio.h>
  2. int main()
  3. {
  4. FILE *fp = NULL;
  5. char Buf[128];
  6. /*打开设备文件*/
  7. fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
  8. if (fp == NULL)
  9. {
  10. printf("Open Dev memdev Error!\n");
  11. return -1;
  12. }
  13. /*写入设备*/
  14. strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
  15. printf("Write BUF: %s\n",Buf);
  16. fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);
  17. sleep(5);
  18. fclose(fp);
  19. return 0;
  20. }

4.app-read.c

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <sys/ioctl.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <fcntl.h>
  8. #include <sys/select.h>
  9. #include <sys/time.h>
  10. #include <errno.h>
  11. int main()
  12. {
  13. int fd;
  14. fd_set rds;
  15. int ret;
  16. char Buf[128];
  17. /*初始化Buf*/
  18. strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
  19. printf("BUF: %s\n",Buf);
  20. /*打开设备文件*/
  21. fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
  22. FD_ZERO(&rds);
  23. FD_SET(fd, &rds);
  24. /*清除Buf*/
  25. strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
  26. printf("Read BUF1: %s\n",Buf);
  27. ret = select(fd + 1, &rds, NULL, NULL, NULL);
  28. if (ret < 0)
  29. {
  30. printf("select error!\n");
  31. exit(1);
  32. }
  33. if (FD_ISSET(fd, &rds))
  34. read(fd, Buf, sizeof(Buf));
  35. /*检测结果*/
  36. printf("Read BUF2: %s\n",Buf);
  37. close(fd);
  38. return 0;
  39. }
时间： 2024-12-12 10:08:21

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