Linux之poll机制分析

应用程序访问1个设备文件时可用阻塞/非阻塞方式.如果是使用阻塞方式，则直接调用open()、read()、write(),但是在驱动程序层会判断是否可读/可写,如果不可读/不可写,则将当前进程休眠，直

到被唤醒。如果是使用非阻塞方式，就需要采用poll/select机制，而且打开文件时标记文件的访问权限位为O_NONBLOCK。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 

FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位

FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真

FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位

FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位

如果参数timeout设为：NULL：则表示select()没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件。0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)；这两个函数其实本质类似.

fds 可以传递多个结构体，也就是说可以监测多个驱动设备所产生的事件，只要有一个产生了请求事件，就能立即返回

　　struct pollfd {

　　　　int fd; /* 文件描述符 */

　　　　short events; /* 请求的事件类型，监视驱动文件的事件掩码 */

　　　　short revents; /* 驱动文件实际返回的事件 */

　　} ;

nfds 监测驱动文件的个数

timeout 超时时间，单位为ms

事件类型events 可以为下列值：

POLLIN 有数据可读

POLLRDNORM 有普通数据可读，等效与POLLIN

POLLPRI 有紧迫数据可读

POLLOUT 写数据不会导致阻塞

POLLER 指定的文件描述符发生错误

POLLHUP 指定的文件描述符挂起事件

POLLNVAL 无效的请求，打不开指定的文件描述符

返回值

有事件发生 返回revents域不为0的文件描述符个数（也就是说事件发生，或者错误报告）

超时        返回0；

失败　　 返回-1，并设置errno为错误类型

理解select模型：

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每个bit 可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。

注意：没有事件 发生的fd=5被清空。

从内核态理解poll机制

我们从应用程序直接调用poll函数,系统会走以下流程

app:poll
kernel:sys_poll
            do_sys_poll
                poll_initwait(&table)
                do_poll(nfds, head, &table, timeout)
                        for (;;) {
                            for (; pfd != pfd_end; pfd++) {    /* 可以监测多个驱动设备所产生的事件 */
                                if (do_pollfd(pfd, pt)) {   
                                    count++;
                                    pt = NULL;
                                }
                                if (count || !*timeout || signal_pending(current))
                                    break;
                                __timeout = schedule_timeout(__timeout);
                            }
                        }


do_pollfd(pfd, pt){
...
if (file->f_op && file->f_op->poll)
    mask = file->f_op->poll(file, pwait);
    return mask;                
...
}

使用poll_initwait(&table)，就是将__pollwait设为回调函数，后面会去调用驱动程序的poll函数，poll函数调用pollwait就等于调用__pollwait，将当前进程加入到等待队列中。然后一直在循环，do_pollfd就是去

调用驱动程序的poll函数，poll函数开始调用pollwait就等于调用__pollwait回调函数，将当前进程加入到等待队列中，以便唤醒休眠后的当前进程。然后返回当前驱动设备的状态(mask). 如果do_pollfd返回的

mask为非0，即count非0，就会马上返回，应用程序就可以使用FD_ISSET了解此时设备状态。当然，如果超时或者此进程有其他信号要处理，也会马上返回，但是应用程序使用FD_ISSET了解到此时设备状

态还是不可用时，又继续轮询。如果do_pollfd返回的mask为0，而且未超时且未有其他信号发生，就会进程调度，让此进程休眠。在前面已经将此进程加入到驱动程序的等待队列中了，如果设备可用时，就会

唤醒等待队列中的进程，也就唤醒了此进程，又去do_pollfd(pfd, pt)。

 

实例：基于<<Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux4.0内核.pdf>>第8.2章节

驱动程序的poll函数

static unsigned int globalfifo_poll(struct file * filp, poll_table * wait)
 {
      unsigned int mask =0;
      struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
  
      mutex_lock(&dev->mutex);
  
      poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);//将当前进程加入到写等待队列 
      poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); //将当前进程加入到读等待队列 
 
     if(dev->current_len != 0)
         mask |=POLLIN | POLLRDNORM;//当有数据时，报告可读状态
     if(dev->current_len != GLOBALMEM_SIZE)
         mask |=POLLOUT | POLLWRNORM;//当缓冲区未满时，报告可写状态
 
     mutex_unlock(&dev->mutex);
     return mask;
 }

使用select监控globalfifo是否可非阻塞读、 写的应用程序

#include "stdio.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#define FIFO_CLEAR (0x01)
void main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int err;
    fd_set rfds,wfds;
    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5; //设置超时时间为5s

    fd = open("/dev/globalfifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if(fd == -1)
        printf("open fail\n");
    else{
         if (ioctl(fd, FIFO_CLEAR, 0) < 0)
             printf("ioctl command failed\n");
         while(1){
            FD_ZERO(&rfds);
            FD_ZERO(&wfds);
            FD_SET(fd,&rfds);
            FD_SET(fd,&wfds);

            err = select(fd+1, &rfds, &wfds, NULL, &timeout);
            if(err == -1)
                printf("select fail:0x%x\n",errno);
            if(FD_ISSET(fd, &rfds))
                printf("Poll monitor:can be read\n");
            if(FD_ISSET(fd, &wfds))
                printf("Poll monitor:can be write\n");
         }
    }
    return 0;
}

驱动程序全部源码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/poll.h>

//#define GLOBALMEM_SIZE 0x1000
#define GLOBALMEM_SIZE 0x10
#define GLOBALMEM_MAJOR 230
#define GLOBALMEM_MAGIC 'g'
//#define MEM_CLEAR _IO(GLOBALMEM_MAGIC,0)
#define MEM_CLEAR (0x01)
static int globalfifo_major = GLOBALMEM_MAJOR;
module_param(globalfifo_major, int, S_IRUGO);

struct globalfifo_dev {
 struct cdev cdev;
 unsigned int current_len;
 unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];
 struct mutex mutex;
 wait_queue_head_t r_wait;
 wait_queue_head_t w_wait;
};

struct globalfifo_dev *globalfifo_devp;

static int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = globalfifo_devp;
    return 0;
}
static int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}
static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user * buf, size_t size,
 loff_t * ppos)
{
    unsigned int count = size;
    int ret = 0;
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

    mutex_lock(&dev->mutex);
    add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);

    while(dev->current_len ==0){
        if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){
            ret = -EAGAIN;
            goto out;
        }

        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        mutex_unlock(&dev->mutex);

        schedule();
        if(signal_pending(current)){
            ret = -ERESTARTSYS;
            goto out2;
        }
        mutex_lock(&dev->mutex);

    }

    if (count > dev->current_len)
        count = dev->current_len;

    if (copy_to_user(buf, dev->mem, count)) {
        ret = -EFAULT;
        goto out;
    } else {
        memcpy(dev->mem, dev->mem+count, dev->current_len - count);
        dev->current_len -=count;
        printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) current_len %d\n", count, dev->current_len);
        wake_up_interruptible(&dev->w_wait);
        ret = count;
    }

out:
    mutex_unlock(&dev->mutex);
out2:
    remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);
    set_current_state(TASK_RUNNING);

 return ret;
}

static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user * buf,
 size_t size, loff_t * ppos)
{
    unsigned int count = size;
    int ret = 0;
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

    mutex_lock(&dev->mutex);
    add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait);

    while(dev->current_len == GLOBALMEM_SIZE){
        if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){
            ret = -EAGAIN;
            goto out;
        }

        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        mutex_unlock(&dev->mutex);
        schedule();
        if(signal_pending(current)){
            ret = -ERESTARTSYS;
            goto out2;
        }
        mutex_lock(&dev->mutex);

    }

    if (count > (GLOBALMEM_SIZE - dev->current_len))
        count = (GLOBALMEM_SIZE - dev->current_len);

    if (copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)){
        ret = -EFAULT;
        goto out;
    }
    else {
        dev->current_len += count;
        wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
        ret = count;
        printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) current_len %d\n", count, dev->current_len);
    }
out:
    mutex_unlock(&dev->mutex);
out2:
    remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait);
    set_current_state(TASK_RUNNING);
 return ret;
}
static loff_t globalfifo_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
    loff_t ret = 0;
    switch (orig) {
    case 0: /* ´ÓÎļþ¿ªÍ·Î»ÖÃseek */
    if (offset< 0) {
        ret = -EINVAL;
        break;
    }
    if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
        ret = -EINVAL;
        break;
    }
    filp->f_pos = (unsigned int)offset;
    ret = filp->f_pos;
    break;
    case 1: /* ´ÓÎļþµ±Ç°Î»ÖÿªÊ¼seek */
    if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
        ret = -EINVAL;
        break;
    }
    if ((filp->f_pos + offset) < 0) {
        ret = -EINVAL;
        break;
    }
    filp->f_pos += offset;
    ret = filp->f_pos;
    break;
    default:
    ret = -EINVAL;
    break;
    }
    return ret;
}
static long globalfifo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
 unsigned long arg)
{
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
    switch (cmd) {
    case MEM_CLEAR:
        mutex_lock(&dev->mutex);
        memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
    dev->current_len =0;
        printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero\n");
        mutex_unlock(&dev->mutex);
        break;
    default:
    return -EINVAL;
 }

 return 0;
}
static unsigned int globalfifo_poll(struct file * filp, poll_table * wait)
{
    unsigned int mask =0;
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;

    mutex_lock(&dev->mutex);

    poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);
    poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);

    if(dev->current_len != 0)
        mask |=POLLIN | POLLRDNORM;
    if(dev->current_len != GLOBALMEM_SIZE)
        mask |=POLLOUT | POLLWRNORM;

    mutex_unlock(&dev->mutex);
    return mask;
}


static const struct file_operations globalfifo_fops = {
 .owner          = THIS_MODULE,
 .llseek         = globalfifo_llseek,
 .read           = globalfifo_read,
 .write          = globalfifo_write,
 .unlocked_ioctl = globalfifo_ioctl,
 .open           = globalfifo_open,
 .poll           = globalfifo_poll,
 .release        = globalfifo_release,
};
static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
{
    int err, devno = MKDEV(globalfifo_major, index);
    cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
    if (err)
    printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalfifo%d", err, index);
}
static int __init globalfifo_init(void)
{
    int ret;
    dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);

    if (globalfifo_major)
    ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
    else {
    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
    globalfifo_major = MAJOR(devno);
    }
    if (ret < 0)
    return ret;

    globalfifo_devp = kzalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
    if (!globalfifo_devp) {
    ret = -ENOMEM;
    goto fail_malloc;
    }
    globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);

    mutex_init(&globalfifo_devp->mutex);
    init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait);
    init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait);
    return 0;

fail_malloc:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}

static void __exit globalfifo_exit(void)
{
    cdev_del(&globalfifo_devp->cdev);
    kfree(globalfifo_devp);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1);
}
module_init(globalfifo_init);
module_exit(globalfifo_exit);

MODULE_LICENSE("GPL v2");

测试：将应用程序设置为后台执行。

当无数据时.

当有数据时但未满时.

当数据满时.

 

此文源码基于内核源码版本为linux-2.6.22.6

参考：https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/6915485.html

          http://www.cnblogs.com/shihaochangeworld/p/5747490.html