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非阻塞IO

非阻塞IO#

这章来讲另一种IO模型非阻塞IO(NIO)，也就是同步非阻塞IO。上一章说过，IO操作的两个阶段先查询再读写，而非阻塞IO在查询阶段的处理和阻塞IO不同。应用程序需要进行IO操作前，先发起查询，驱动程序根据数据情况返回查询结果，如果返回查询结果NG，应用程序就不执行读写操作了。如果应用程序非要读写的话，就继续去查询，直到驱动程序返回数据准备完成，才会做下一步的读写操作。

Linux中的NIO#

非阻塞IO的处理方式是轮询。Linux中提供了应用程序的轮询机制和相应的驱动程序系统调用。

应用程序中的轮询方法#

应用程序中提供了三种轮询的方法：select、poll、epoll。实际上他们也是多路复用IO的解决方法，这里就不展开说了。

  1. select

select有良好的跨平台支持性，但是他的单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制(Linux中一般为1024)。

函数原型：

int select(int maxfdp, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *errorfds, struct timeval *timeout);

参数说明：

maxfdp：是集合中所有文件描述符的范围，即等于所有文件描述符的最大值加1。

readfds：struct fd_set结构体可以理解为是文件描述符(file descriptor)的集合，也就是文件句柄，他的每一位就代表一个描述符，readfds用于监视指定描述符集的读变化，只要其中有一位可读，select就会返回一个大于0的值。可以已使用这些宏来操作fd_set变量：

/* 把fdset所有位置0, 清楚fdset和所有文件句柄的关系 */

FD_ZERO(fd_set *fdset)

/* 把fdset某个位置1, 把fdset和文件句柄fd关联 */

FD_SET(int fd, fd_set *fdset)

/* 把fdset某个位置0, 取消fdset和文件句柄的关联 */

FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)
/* 判断某个文件句柄是否为1, 即是否可操作 */

FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)

writefds：用于见识文件是否可写。

errorfds：用于监视文件异常。

timeout：struct timeval用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。定义如下：

struct timeval{
long tv_sec; /*秒 */
long tv_usec; /*微秒 */
}

这个参数的值有三种情况

如果传入NULL，即不传入时间结构，就是一个阻塞函数，直到某个文件描述符发生变化才会返回。

如果把秒和微妙都设为0，就是一个非阻塞函数，会立刻返，文件无变化返回0，有变化返回正值。

如果值大于0，则意为超时时间， select若在timeout时间内没有检测到文件描述符变化，则会直接返回0，有变化则返回正值。

使用示例：

void main(void)
{
/* ret 获取返回值, fd 获取文件句柄 */
int ret, fd;
/* 定义一个监视文件读变化的描述符合集 */
fd_set readfds;
/* 定义一个超时时间结构体 */
struct timeval timeout;

/* 获取文件句柄, O_NONBLOCK 表示非阻塞访问 */
fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK);

/* 初始化描述符合集 */
FD_ZERO(&readfds);
/* 把文件句柄 fd 指向的文件添加到描述符 */
FD_SET(fd, &readfds);

/* 超时时间初始化为 1.5 秒 */
timeout.tv_sec = 1;
timeout.tv_usec = 500000;

/* 调用 select, 注意第一个参数为 fd+1 */
ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

switch (ret)
{
case 0:
{
/* 超时 */
break;
}
case -1:
{
/* 出错 */
break;
}
default:
{
/* 监视的文件可操作 */
/* 判断可操作的文件是不是文件句柄 fd 指向的文件 */
if(FD_ISSET(fd, &readfds))
{
/* 操作文件 */
}
break;
}
}
}

在23行调用select函数之前，做了很多准备工作，主要是select函数输入参数的初始化。

注意11行open函数输入参数中的O_NONBLOCK属性，如果需要非阻塞的访问文件，则需要添加这个属性。

41行，在ret返回大于0时，使用宏定义FD_ISSET判断可操作的句柄是不是我们需要的句柄，在只等待一个文件的情况下，可以不做这个判断。

  1. poll

poll本质上和sellect没有区别，但是是他的最大连接数没有限制。

函数原型：

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

参数说明：

fds：struct pollfd结构体是文件句柄和事件的组合，定义如下：

struct pollfd {
int fd;
short events;
short revents;
};

fd是文件句柄，events是对于这个文件需要监视的事件类型，revents是内核返回的事件类型。事件类型有：

POLLIN //有数据可读

POLLPRI //有紧急数据可读

POLLOUT //数据可写

POLLERR //指定文件描述符发生错误

POLLHUP //指定文件描述符挂起

POLLNVAL //无效请求

POLLRDNORM //有数据可读

nfds：poll监视的文件句柄数量，也就是fds的数组长度。

timeout：超时时间，单位为毫秒。

使用示例：

void main(void)
{
/* ret 获取返回值, fd 获取文件句柄 */
int ret, fd;
/* 定义 struct pollfd 结构体变量 */
struct pollfd fds[1];

/* 非阻塞访问文件 */
fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK);

/* 初始化 struct pollfd 结构体变量 */
fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;

/* 调用 poll */
ret = poll(fds, sizeof(fds), 1500);
if(ret == 0)
{
/* 超时 */
}
else if (ret < 0)
{
/* 错误 */
}
else
{
/* 操作数据 */
}
}

  1. epoll

可以理解为event poll，设计用于大并发时的IO查询，常用于网络编程，暂不介绍。

驱动程序中的poll函数#

应用程序中调用select、poll、epoll时，系统调用就会执行驱动程序中file_operations的poll函数。也就是我们需要实现的函数。圆原型如下：

unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)

参数说明：

filp：应用程序传递过来的值，应用程序open之后获得的目标文件句柄。

wait：应用程序传递过来的值，代表应用程序线程。我们需要在poll函数中调用 poll_wait将应用程序添线程wait添加到poll_table等待队列中，poll_wait函数原型如下：

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

wait作为参数p传递给poll_wait函数。

返回值：返回值和struct pollfd结构体中的事件类型相同。

实验#

这章的实验目标和上一章相同，使用ps_key1控制ps_led1，并使cpu占用率相较于中断那一章有所降低。

原理图#

led部分和 字符设备 章节相同。

key部分和 gpio输入 章节相同。

设备树#

和 gpio输入 章节相同。

驱动代码#

使用 petalinux 新建名为”ax-nio-drv”的驱劢程序，并执行 petalinux-config -c rootfs 命令选上新增的驱动程序。

在 ax-nio-drv.c 文件中输入下面的代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/io.h>

/* 设备节点名称 */
#define DEVICE_NAME       "nio_led"
/* 设备号个数 */
#define DEVID_COUNT       1
/* 驱动个数 */
#define DRIVE_COUNT       1
/* 主设备号 */
#define MAJOR_U
/* 次设备号 */
#define MINOR_U           0

/* 把驱动代码中会用到的数据打包进设备结构体 */
struct alinx_char_dev {
/** 字符设备框架 **/
    dev_t              devid;             //设备号
    struct cdev        cdev;              //字符设备
    struct class       *class;            //类
    struct device      *device;           //设备
    struct device_node *nd;               //设备树的设备节点
/** gpio **/
    int                alinx_key_gpio;    //gpio号
/** 并发处理 **/
    atomic_t           key_sts;           //记录按键状态, 为1时被按下
/** 中断 **/
    unsigned int       irq;               //中断号
/** 定时器 **/
    struct timer_list  timer;             //定时器
/** 等待队列 **/
    wait_queue_head_t  wait_q_h;          //等待队列头
};
/* 声明设备结构体 */
static struct alinx_char_dev alinx_char = {
    .cdev = {
        .owner = THIS_MODULE,
    },
};

/** 回掉 **/
/* 中断服务函数 */
static irqreturn_t key_handler(int irq, void *dev)
{
    /* 按键按下或抬起时会进入中断 */
    /* 开启50毫秒的定时器用作防抖动 */
    mod_timer(&alinx_char.timer, jiffies + msecs_to_jiffies(50));
    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

/* 定时器服务函数 */
void timer_function(struct timer_list *timer)
{
    /* value用于获取按键值 */
    unsigned char value;
    /* 获取按键值 */
    value = gpio_get_value(alinx_char.alinx_key_gpio);
    if(value == 0)
    {
        /* 按键按下, 状态置1 */
        atomic_set(&alinx_char.key_sts, 1);
/** 等待队列 **/
        /* 唤醒进程 */
        wake_up_interruptible(&alinx_char.wait_q_h);
    }
    else
    {
        /* 按键抬起 */
    }
}

/** 系统调用实现 **/
/* open函数实现, 对应到Linux系统调用函数的open函数 */
static int char_drv_open(struct inode *inode_p, struct file *file_p)
{
    printk("gpio_test module open\n");
    return 0;
}

/* read函数实现, 对应到Linux系统调用函数的write函数 */
static ssize_t char_drv_read(struct file *file_p, char __user *buf, size_t len, loff_t *loff_t_p)
{
    unsigned int keysts = 0;
    int ret;

    /* 读取key的状态 */
    keysts = atomic_read(&alinx_char.key_sts);
    /* 判断文件打开方式 */
    if(file_p->f_flags & O_NONBLOCK)
    {
        /* 如果是非阻塞访问, 说明以满足读取条件 */
    }
    /* 判断当前按键状态 */
    else if(!keysts)
    {
        /* 按键未被按下(数据未准备好) */
        /* 以当前进程创建并初始化为队列项 */
        DECLARE_WAITQUEUE(queue_mem, current);
        /* 把当前进程的队列项添加到队列头 */
        add_wait_queue(&alinx_char.wait_q_h, &queue_mem);
        /* 设置当前进成为可被信号打断的状态 */
        __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        /* 切换进程, 是当前进程休眠 */
        schedule();

        /* 被唤醒, 修改当前进程状态为RUNNING */
        set_current_state(TASK_RUNNING);
        /* 把当前进程的队列项从队列头中删除 */
        remove_wait_queue(&alinx_char.wait_q_h, &queue_mem);

        /* 判断是否是被信号唤醒 */
        if(signal_pending(current))
        {
            /* 如果是直接返回错误 */
            return -ERESTARTSYS;
        }
        else
        {
            /* 被按键唤醒 */
        }
    }
    else
    {
        /* 按键被按下(数据准备好了) */
    }

    /* 读取key的状态 */
    keysts = atomic_read(&alinx_char.key_sts);
    /* 返回按键状态值 */
    ret = copy_to_user(buf, &keysts, sizeof(keysts));
    /* 清除按键状态 */
    atomic_set(&alinx_char.key_sts, 0);
    return 0;
}

/* poll函数实现 */
unsigned int char_drv_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
       unsigned int ret = 0;

    /* 将应用程序添添加到等待队列中 */
    poll_wait(filp, &alinx_char.wait_q_h, wait);

    /* 判断key的状态 */
       if(atomic_read(&alinx_char.key_sts))
       {
        /* key准备好了, 返回数据可读 */
               ret = POLLIN;
       }
    else
    {

    }

       return ret;
}

/* release函数实现, 对应到Linux系统调用函数的close函数 */
static int char_drv_release(struct inode *inode_p, struct file *file_p)
{
    printk("gpio_test module release\n");
    return 0;
}

/* file_operations结构体声明, 是上面open、write实现函数与系统调用函数对应的关键 */
static struct file_operations ax_char_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = char_drv_open,
    .read    = char_drv_read,
       .poll    = char_drv_poll,
    .release = char_drv_release,
};

/* 模块加载时会调用的函数 */
static int __init char_drv_init(void)
{
    /* 用于接受返回值 */
    u32 ret = 0;

/** 并发处理 **/
    /* 初始化原子变量 */
    atomic_set(&alinx_char.key_sts, 0);

/** gpio框架 **/
    /* 获取设备节点 */
    alinx_char.nd = of_find_node_by_path("/alinxkey");
    if(alinx_char.nd == NULL)
    {
        printk("alinx_char node not find\r\n");
        return -EINVAL;
    }
    else
    {
        printk("alinx_char node find\r\n");
    }

    /* 获取节点中gpio标号 */
    alinx_char.alinx_key_gpio = of_get_named_gpio(alinx_char.nd, "alinxkey-gpios", 0);
    if(alinx_char.alinx_key_gpio < 0)
    {
        printk("can not get alinxkey-gpios");
        return -EINVAL;
    }
    printk("alinxkey-gpio num = %d\r\n", alinx_char.alinx_key_gpio);

    /* 申请gpio标号对应的引脚 */
    ret = gpio_request(alinx_char.alinx_key_gpio, "alinxkey");
    if(ret != 0)
    {
        printk("can not request gpio\r\n");
        return -EINVAL;
    }

    /* 把这个io设置为输入 */
    ret = gpio_direction_input(alinx_char.alinx_key_gpio);
    if(ret < 0)
    {
        printk("can not set gpio\r\n");
        return -EINVAL;
    }

/** 中断 **/
    /* 获取中断号 */
    alinx_char.irq = gpio_to_irq(alinx_char.alinx_key_gpio);
    /* 申请中断 */
    ret = request_irq(alinx_char.irq,
                      key_handler,
                      IRQF_TRIGGER_FALLING | IRQF_TRIGGER_RISING,
                      "alinxkey",
                      NULL);
    if(ret < 0)
    {
        printk("irq %d request failed\r\n", alinx_char.irq);
        return -EFAULT;
    }

/** 定时器 **/
    __init_timer(&alinx_char.timer, timer_function, 0);

/** 等待队列 **/
    init_waitqueue_head(&alinx_char.wait_q_h);

/** 字符设备框架 **/
    /* 注册设备号 */
    alloc_chrdev_region(&alinx_char.devid, MINOR_U, DEVID_COUNT, DEVICE_NAME);

    /* 初始化字符设备结构体 */
    cdev_init(&alinx_char.cdev, &ax_char_fops);

    /* 注册字符设备 */
    cdev_add(&alinx_char.cdev, alinx_char.devid, DRIVE_COUNT);

    /* 创建类 */
    alinx_char.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
    if(IS_ERR(alinx_char.class))
    {
        return PTR_ERR(alinx_char.class);
    }

    /* 创建设备节点 */
    alinx_char.device = device_create(alinx_char.class, NULL,
                                      alinx_char.devid, NULL,
                                      DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(alinx_char.device))
    {
        return PTR_ERR(alinx_char.device);
    }

    return 0;
}

/* 卸载模块 */
static void __exit char_drv_exit(void)
{
/** gpio **/
    /* 释放gpio */
    gpio_free(alinx_char.alinx_key_gpio);

/** 中断 **/
    /* 释放中断 */
    free_irq(alinx_char.irq, NULL);

/** 定时器 **/
    /* 删除定时器 */
    del_timer_sync(&alinx_char.timer);

/** 字符设备框架 **/
    /* 注销字符设备 */
    cdev_del(&alinx_char.cdev);

    /* 注销设备号 */
    unregister_chrdev_region(alinx_char.devid, DEVID_COUNT);

    /* 删除设备节点 */
    device_destroy(alinx_char.class, alinx_char.devid);

    /* 删除类 */
    class_destroy(alinx_char.class);

    printk("timer_led_dev_exit_ok\n");
}

/* 标记加载、卸载函数 */
module_init(char_drv_init);
module_exit(char_drv_exit);

/* 驱动描述信息 */
MODULE_AUTHOR("Alinx");
MODULE_ALIAS("alinx char");
MODULE_DESCRIPTION("NIO LED driver");
MODULE_VERSION("v1.0");
MODULE_LICENSE("GPL");

驱动代码在上一章的代码基础上，增加了poll实现，并稍微修改了read函数。

191行在file_operations结构体中添加poll函数实现。

158行实现poll函数，调用一下poll_wait函数，之后哦按段数据状态，如果数据准备好，就返回POLLIN状态标识。

110行在read函数中稍作修改，先判断文件打开方式，如果是非阻塞的方式访问，就不去做队列相关的操作了，直接返回数据给用户，否则按照阻塞访问处理。

测试代码#

测试代码在 gpio输入 章节的基础上修改，新建QT工程名为”ax_nioled_test”，新建main.c，输入下列代码：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "poll.h"
#include "sys/select.h"
#include "sys/time.h"
#include "linux/ioctl.h"

int main(int argc, char *argv[])
{

    /* ret获取返回值, fd获取文件句柄 */
    int ret, fd, fd_l;
    /* 定义一个监视文件读变化的描述符合集 */
    fd_set readfds;
    /* 定义一个超时时间结构体 */
    struct timeval timeout;

    char *filename, led_value = 0;
    unsigned int key_value;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Error Usage\r\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];
    /* 获取文件句柄, O_NONBLOCK表示非阻塞访问 */
    fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK);
    if(fd < 0)
    {
        printf("can not open file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }

    while(1)
    {
        /* 初始化描述符合集 */
        FD_ZERO(&readfds);
        /* 把文件句柄fd指向的文件添加到描述符 */
        FD_SET(fd, &readfds);

        /* 超时时间初始化为1.5秒 */
        timeout.tv_sec = 1;
        timeout.tv_usec = 500000;

        /* 调用select, 注意第一个参数为fd+1 */
        ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
        switch (ret)
        {
            case 0:
            {
                /* 超时 */
                break;
            }
            case -1:
            {
                /* 出错 */
                break;
            }
            default:
            {
                /* 监视的文件可操作 */
                /* 判断可操作的文件是不是文件句柄fd指向的文件 */
                if(FD_ISSET(fd, &readfds))
                {
                    /* 操作文件 */
                    ret = read(fd, &key_value, sizeof(key_value));
                    if(ret < 0)
                    {
                        printf("read failed\r\n");
                        break;
                    }
                    printf("key_value = %d\r\n", key_value);
                    if(1 == key_value)
                    {
                        printf("ps_key1 press\r\n");
                        led_value = !led_value;

                        fd_l = open("/dev/gpio_leds", O_RDWR);
                        if(fd_l < 0)
                        {
                            printf("file /dev/gpio_leds open failed\r\n");
                            break;
                        }

                        ret = write(fd_l, &led_value, sizeof(led_value));
                        if(ret < 0)
                        {
                            printf("write failed\r\n");
                            break;
                        }

                        ret = close(fd_l);
                        if(ret < 0)
                        {
                            printf("file /dev/gpio_leds close failed\r\n");
                            break;
                        }
                    }
                }
                break;
            }
        }
    }
    close(fd);
    return ret;
}

73行的read函数开始，之后的代码与6.4节是一样的，通过判断key的状态，来改变led的状态。

在调用read之前，先调用select函数来检测数据状态，用法和之前提到的用法相同，就不重复说明了。

运行测试#

测试方式和现象和上一章一样，步骤如下：

mount -t nfs -o nolock 192.168.1.107:/home/alinx/work /mnt

cd /mnt

mkdir /tmp/qt

mount qt_lib.img /tmp/qt

cd /tmp/qt

source ./qt_env_set.sh

cd /mnt

insmod ./ax-concled-drv.ko

insmod ./ax-nio-drv.ko

cd ./build-ax_nioled_test-ZYNQ-Debug

./ax-nioled-test /dev/nio_led&

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此外，可以尝试一下，把测试程中的超时时间改成0或者NULL来贯彻现象。

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