需要了解linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的阻塞與非阻塞等問題

首先說說什么是阻塞和非阻塞的概念：阻塞操作就是指進(jìn)程在操作設(shè)備時(shí)，由于不能獲取資源或者暫時(shí)不能操作設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)把進(jìn)程掛起，被掛起的進(jìn)程會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)并且會(huì)從調(diào)度器的運(yùn)行隊(duì)列移走，放到等待隊(duì)列中，然后一直休眠，直到該進(jìn)程滿足可操作的條件，再被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行之前的操作。非阻塞操作的進(jìn)程在不能進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，并不會(huì)掛起，要么放棄，要么不停地執(zhí)行，直到可以進(jìn)行操作為止。

我們都知道，在應(yīng)用中，打開一個(gè)設(shè)備文件時(shí)，指定了是以阻塞還是非阻塞打開（缺省是阻塞方式），然后后面的讀寫一切都是交由驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，那么驅(qū)動(dòng)是如何實(shí)現(xiàn)read()和write()的阻塞呢！下面以讀寫一個(gè)內(nèi)存塊為例子，當(dāng)該內(nèi)存寫滿了，不能寫的時(shí)候，調(diào)用write（）函數(shù)該怎么處理，當(dāng)該內(nèi)存已經(jīng)讀取完了，空了的時(shí)候，調(diào)用read（）函數(shù)，又改如何處理（該代碼簡化了，只為說明問題，不能正常編譯使用）：

wait_queue_head_t read_queue; ? ? ?//定義讀等待隊(duì)列頭部
? wait_queue_head_t write_queue; ? ??//定義寫等待隊(duì)列頭部
? struct semaphore sem; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??//定義信號(hào)量，用于互斥訪問公共資源

static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

if(down_interruptible(&sem))
? return -ERESTARTSYS;? ? ??//使用?down_interruptible，給公共資源上鎖，以防出現(xiàn)并發(fā)引起的競態(tài)問題

while (!have_data)? ? ?//have_data用來判斷緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，直接跳過該while語句，執(zhí)行下面的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // copy_to_user
? {
up(&sem);?? ? //由于沒有數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)操作，要釋放鎖，解鎖，這里的解鎖很重要，要是沒有解鎖，很容 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//易進(jìn)入死鎖，具體怎樣，下面再分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)? ?//判斷該文件時(shí)以阻塞方式還是非阻塞方式打開

return -EAGAIN; ?? ? ? ? ? ? ? ? ? //由于是非阻塞打開，直接返回

wait_event_interruptible(read_queue,have_date);//阻塞方式代開，該語句會(huì)讓進(jìn)程進(jìn)入休眠狀態(tài)，然后等待其他進(jìn)程 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//的喚醒并且have_data=true時(shí)，才會(huì)被完全喚醒，執(zhí)行下面的語句

if（down_interruptible(&sem)）? ? ? ? ? ?//由于可以進(jìn)行讀取了，所以在此給公共資源上鎖

return -ERESTARTSYS;

if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))? { ??? ?//實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間讀取到用戶空間，完成讀取操作

..................

}

have_data = false; ??//標(biāo)記該數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢

up(&sem);? ? ?//釋放鎖

wake_up(&write_queue);?//讀取完畢，緩沖區(qū)有空間可以寫入了，就喚醒寫進(jìn)程，讓寫進(jìn)程把數(shù)據(jù)寫入

return ;

}

下面分析write函數(shù),其原理和實(shí)現(xiàn)也是和read函數(shù)一樣，都是先給公共資源上鎖，再判斷是阻塞訪問還是非阻塞訪問，如果是非阻塞訪問，且資源不能獲取時(shí)，直接返回，若果時(shí)阻塞且不能獲取資源時(shí)，就進(jìn)入休眠，等待其他進(jìn)程的喚醒。

static ssize_t mem_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

if(down_interruptible(&sem))
? return -ERESTARTSYS;? ? ??//使用?down_interruptible，給公共資源上鎖，以防出現(xiàn)并發(fā)引起的競態(tài)問題

while (have_data)? ? ?//have_data用來判斷緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，表示緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，不能寫入，

//如果have_data是false,即沒有數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)是空的，可以寫入數(shù)據(jù)，就執(zhí)行下面的copy_from_user
? {
up(&sem);??? ? //由于有數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)操作，要釋放鎖，解鎖 ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)?? ?//判斷該文件時(shí)以阻塞方式還是非阻塞方式打開

return -EAGAIN; ??? ? ? ? ? ? ? ? ? //由于是非阻塞打開，直接返回

wait_event_interruptible(write_queue,!have_date);//阻塞方式代開，該語句會(huì)讓進(jìn)程進(jìn)入休眠狀態(tài)，然后等待其他進(jìn)程 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//的喚醒并且have_data=false時(shí)，才會(huì)被完全喚醒，執(zhí)行下面的語句

if（down_interruptible(&sem)）?? ? ? ? ? ?//由于可以進(jìn)行寫入操作了，所以在此給公共資源上鎖

return -ERESTARTSYS;

if (copy_from_user((dev->data + p), buf,count))? { ??? ?//實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間讀取到用戶空間，完成讀取操作

..................

}

have_data = true; ??//標(biāo)記該數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢

up(&sem);?? ? ?//釋放鎖

wake_up(&read_queue);?//寫入數(shù)據(jù)完畢，緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)可以讀取了，就喚醒讀進(jìn)程，讓讀進(jìn)程開始讀取數(shù)據(jù)

return ;

}

以上是驅(qū)動(dòng)中的讀取和寫入操作，當(dāng)寫進(jìn)程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已滿，不能寫入時(shí)，且上層應(yīng)用是以阻塞的方式打開設(shè)備文件時(shí)，所以必須要寫入數(shù)據(jù)才能返回，否則不能返回，那么就有兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)制，要不就是不停地忙等待，等待設(shè)備可以寫入時(shí)，便寫入，然后返回，可是這樣做的話，非常影響CPU的執(zhí)行效率，大大降低了CPU的性能，所以linux內(nèi)核中采取了等待隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方式，就是當(dāng)一個(gè)阻塞進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不能寫入時(shí)，會(huì)把這個(gè)進(jìn)程掛起，放到等待隊(duì)列中休眠，然后一直在休眠，直到有個(gè)讀進(jìn)程，把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后，然后讀進(jìn)程會(huì)把寫進(jìn)程喚醒，告訴寫進(jìn)程緩沖區(qū)可以寫入數(shù)據(jù)了，于是寫進(jìn)程繼續(xù)寫入操作，并且返回。舉個(gè)例子，小明餓了，要吃飯，于是跑去媽媽那里，說要吃飯，媽媽說放沒有做好，你說小明是繼續(xù)在這里一直等著媽媽把飯做好，還是先去睡一覺好呢，如果我是小明，我就先去睡一覺，然后媽媽把飯做好了，就把小明叫醒，小明，可以吃飯了，于是小明起來，跑去吃飯。當(dāng)讀進(jìn)程阻塞時(shí)，也是這樣，就不分析了。

現(xiàn)在說說為什么每次進(jìn)去阻塞前都要把鎖釋放掉，然后喚醒時(shí)再次上鎖，我們試想一下，假如讀進(jìn)程發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)為空，不能讀取時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)入休眠了，沒有把鎖釋放，效果會(huì)怎樣，就相當(dāng)于讀進(jìn)程帶著鎖睡著了，一旦讀進(jìn)程帶著鎖睡著了，寫進(jìn)程來了，可是寫進(jìn)程因?yàn)椴荒塬@取鎖，就不能訪問臨界區(qū)的資源，更不能往緩沖區(qū)里面寫入數(shù)據(jù)，所以緩沖區(qū)會(huì)一直為空，且寫進(jìn)程也會(huì)不停地在那里休眠，等到讀進(jìn)程釋放鎖，可是讀進(jìn)程睡著了，不能釋放鎖，寫進(jìn)程也休眠了，不能喚醒讀進(jìn)程，于是就發(fā)生了死鎖了。這就好比小明他爸爸藏了一個(gè)還魂丹在保險(xiǎn)箱里，有一天，他爸爸暈倒了，可是沒有告訴小明鎖放在那里，于是小明只能在保險(xiǎn)箱外面，看著他爸爸暈過去，卻無能為力了.....

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