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LDD3源碼分析之poll分析

 WUCANADA 2012-06-05

LDD3源碼分析之poll分析

分類： LDD3源碼分析 2012-03-27 18:43 103人閱讀 評論(0) 收藏 舉報

作者：劉昊昱 

博客：http://blog.csdn.net/liuhaoyutz

編譯環(huán)境：Ubuntu 10.10

內核版本：2.6.32-38-generic-pae

LDD3源碼路徑：examples/scull/pipe.c  examples/scull/main.c

 

本文分析LDD3第6章的poll(輪詢)操作。要理解驅動程序中poll函數的作用和實現，必須先理解用戶空間中poll和select函數的用法。本文與前面的文章介紹的順序有所不同，首先分析測試程序，以此理解用戶空間中的poll和select函數的用法。然后再分析驅動程序怎樣對用戶空間的poll和select函數提供支持。

 

一、poll函數的使用

用戶態(tài)的poll函數用以監(jiān)測一組文件描述符是否可以執(zhí)行指定的I/O操作，如果被監(jiān)測的文件描述符都不能執(zhí)行指定的I/O操作，則poll函數會阻塞，直到有文件描述符的狀態(tài)發(fā)生變化，可以執(zhí)行指定的I/O操作才解除阻塞。poll函數還可以指定一個最長阻塞時間，如果時間超時，將直接返回。poll函數的函數原型如下：

  1. int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);  

要監(jiān)測的文件描述符由第一個參數fds指定，它是一個struct pollfd數組，pollfd結構體定義如下：

  1. struct pollfd {  
  2.     int   fd;         /* file descriptor */  
  3.     short events;     /* requested events */  
  4.     short revents;    /* returned events */  
  5. };  

pollfd結構體的第一個成員fd是文件描述符，代表一個打開的文件。第二個成員events是一個輸入參數，用于指定poll監(jiān)測哪些事件(如可讀、可寫等等)。第三個成員revents是一個輸出參數，由內核填充，指示對于文件描述符fd，發(fā)生了哪些事件(如可讀、可寫等等)。

poll函數的第二個參數nfds代表監(jiān)測的文件描述符的個數，即fds數組的成員個數。

poll函數的第三個參數timeout代表阻塞時間(以毫秒為單位)，如果poll要求監(jiān)測的事件沒有發(fā)生，則poll會阻塞最多timeout毫秒。如果timeout設置為負數，則poll會一直阻塞，直到監(jiān)測的事件發(fā)生。

poll函數如果返回一個正數，代表內核返回了狀態(tài)(保存在pollfd.revents中)的文件描述符的個數。如果poll返回0，表明是因為超時而返回的。如果poll返回-1，表明poll調用出錯。

poll函數可以監(jiān)測哪些狀態(tài)(由pollfd.events指定)，以及內核可以返回哪些狀態(tài)(保存在pollfd.revents中)，由下面的宏設定：

POLLIN：There is data to read.

POLLOUT：Writing now will not block.

POLLPRI：There is urgent data to read (e.g., out-of-band data on TCP socket; pseudo-terminal master in packet mode has seen state change in slave).

POLLRDHUP： (since Linux 2.6.17) Stream socket peer closed connection, or shut down writing half of connection.  The _GNU_SOURCE feature test macro must be defined in order  to  obtain this definition.

POLLERR：Error condition (output only).

POLLHUP：Hang up (output only).

POLLNVAL：Invalid request: fd not open (output only).

When compiling with _XOPEN_SOURCE defined, one also has the following, which convey no further information beyond the bits listed above:

POLLRDNORM：Equivalent to POLLIN.

POLLRDBAND：Priority band data can be read (generally unused on Linux).

POLLWRNORM：Equivalent to POLLOUT.

POLLWRBAND：Priority data may be written.

下面我們看一個測試scullpipe設備的poll操作(內核態(tài)poll)的測試程序，該程序使用了我們前面介紹的poll函數(用戶態(tài)poll)。其代碼如下：

  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <unistd.h>  
  6. #include <linux/poll.h>  
  7. #include <sys/time.h>  
  8. #include <sys/types.h>  
  9. #include <sys/stat.h>  
  10.   
  11. int main(int argc, char *argv[])  
  12. {  
  13.     int fd0, fd1, fd2, fd3;  
  14.     struct pollfd poll_fd[4];  
  15.     char buf[100];  
  16.     int retval;  
  17.   
  18.     if(argc != 2 || ((strcmp(argv[1], "read") != 0) && (strcmp(argv[1], "write") != 0)))  
  19.     {  
  20.         printf("usage: ./poll_test read|write\n");  
  21.         return -1;  
  22.     }  
  23.   
  24.     fd0 = open("/dev/scullpipe0", O_RDWR);  
  25.     if ( fd0 < 0)  
  26.     {  
  27.         printf("open scullpipe0 error\n");  
  28.         return -1;  
  29.     }  
  30.       
  31.     fd1 = open("/dev/scullpipe1", O_RDWR);  
  32.     if ( fd1 < 0)  
  33.     {  
  34.         printf("open scullpipe1 error\n");  
  35.         return -1;  
  36.     }  
  37.       
  38.     fd2 = open("/dev/scullpipe2", O_RDWR);  
  39.     if ( fd2 < 0)  
  40.     {  
  41.         printf("open scullpipe2 error\n");  
  42.         return -1;  
  43.     }  
  44.       
  45.     fd3 = open("/dev/scullpipe3", O_RDWR);  
  46.     if ( fd3 < 0)  
  47.     {  
  48.         printf("open scullpipe3 error\n");  
  49.         return -1;  
  50.     }  
  51.   
  52.     if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  53.     {  
  54.         poll_fd[0].fd = fd0;  
  55.         poll_fd[1].fd = fd1;  
  56.         poll_fd[2].fd = fd2;  
  57.         poll_fd[3].fd = fd3;  
  58.   
  59.         poll_fd[0].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  60.         poll_fd[1].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  61.         poll_fd[2].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  62.         poll_fd[3].events = POLLIN | POLLRDNORM;  
  63.   
  64.         retval = poll(poll_fd, 4, 10000);  
  65.     }  
  66.     else  
  67.     {  
  68.         poll_fd[0].fd = fd0;  
  69.         poll_fd[1].fd = fd1;  
  70.         poll_fd[2].fd = fd2;  
  71.         poll_fd[3].fd = fd3;  
  72.   
  73.         poll_fd[0].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  74.         poll_fd[1].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  75.         poll_fd[2].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  76.         poll_fd[3].events = POLLOUT | POLLWRNORM;  
  77.           
  78.         retval = poll(poll_fd, 4, 10000);  
  79.     }  
  80.   
  81.     if (retval == -1)  
  82.     {  
  83.         printf("poll error!\n");  
  84.         return -1;  
  85.     }  
  86.     else if (retval)  
  87.     {  
  88.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  89.         {  
  90.             if(poll_fd[0].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  91.             {  
  92.                 printf("/dev/scullpipe0 is readable!\n");  
  93.                 memset(buf, 0, 100);  
  94.                 read(fd0, buf, 100);  
  95.                 printf("%s\n", buf);  
  96.             }  
  97.   
  98.             if(poll_fd[1].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  99.             {  
  100.                 printf("/dev/scullpipe1 is readable!\n");  
  101.                 memset(buf, 0, 100);  
  102.                 read(fd1, buf, 100);  
  103.                 printf("%s\n", buf);  
  104.             }  
  105.   
  106.             if(poll_fd[2].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  107.             {  
  108.                 printf("/dev/scullpipe2 is readable!\n");  
  109.                 memset(buf, 0, 100);  
  110.                 read(fd2, buf, 100);  
  111.                 printf("%s\n", buf);  
  112.             }  
  113.   
  114.             if(poll_fd[3].revents & (POLLIN | POLLRDNORM))  
  115.             {  
  116.                 printf("/dev/scullpipe3 is readable!\n");  
  117.                 memset(buf, 0, 100);  
  118.                 read(fd3, buf, 100);  
  119.                 printf("%s\n", buf);  
  120.             }  
  121.         }  
  122.         else  
  123.         {  
  124.             if(poll_fd[0].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  125.             {  
  126.                 printf("/dev/scullpipe0 is writable!\n");  
  127.             }  
  128.   
  129.             if(poll_fd[1].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  130.             {  
  131.                 printf("/dev/scullpipe1 is writable!\n");  
  132.             }  
  133.   
  134.             if(poll_fd[2].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  135.             {  
  136.                 printf("/dev/scullpipe2 is writable!\n");  
  137.             }  
  138.   
  139.             if(poll_fd[3].revents & (POLLOUT | POLLWRNORM))  
  140.             {  
  141.                 printf("/dev/scullpipe3 is writable!\n");  
  142.             }  
  143.         }  
  144.     }  
  145.     else  
  146.     {  
  147.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  148.         {  
  149.             printf("No data within ten seconds.\n");  
  150.         }  
  151.         else  
  152.         {  
  153.             printf("Can not write within ten seconds.\n");  
  154.         }  
  155.     }  
  156.   
  157.     return 0;  
  158. }  

測試過程如下圖所示：

從上圖可以看出，scullpipe0 - scullpipe3都是可寫的。但是因為沒有向其中寫入任何內容，所以讀的時候會阻塞住，因為測試程序設置最長阻塞時間為10秒，所以10秒后解除阻塞退出，并打印”No data within ten seconds.”。

下面再次測試讀操作，因為設備中沒有內容，還是阻塞住，但是在10秒鐘內，從另外一個終端向/dev/scullpipe2寫入數據，這里是寫入字符串”hello”，可以看到，寫入數據后，測試程序解除阻塞，并打印”/dev/scullpipe2 is readable!”和”hello”字符串，這個過程如下圖所示：

 

二、select函數的使用

select函數的作用與poll函數類似，也是監(jiān)測一組文件描述符是否準備好執(zhí)行指定的I/O操作。如果沒有任何一個文件描述符可以完成指定的操作，select函數會阻塞住。select函數可以指定一個最長阻塞時間，如果超時，則直接返回。

select函數的函數原型如下：

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

select通過三個獨立的文件描述符集(fd_set)readfds，writefds，exceptfds指示監(jiān)測哪些文件描述符，其中readfds中的文件描述符監(jiān)測是否可進行非阻塞的讀操作。writefds數組中的文件描述符監(jiān)測是否可進行非阻塞的寫操作。exceptfds數組中的文件描述符監(jiān)測是否有異常(exceptions)。

select的第一個參數nfds是三個文件描述符集readfds、writefds、exceptfds中最大文件描述符值加1。

select的最后一個參數timeout代表最長阻塞時間。

select函數返回滿足指定I/O要求的文件描述符的個數，如果是超時退出的，select函數返回0。如果出錯，select函數返回-1。

有四個宏用來操作文件描述符集：

void FD_ZERO(fd_set *set);  清空一個文件描述符集。

void FD_SET(int fd, fd_set *set); 將一個文件描述符fd加入到指定的文件描述符集set中。

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 將一個文件描述符fd從指定的文件描述符集set中刪除。

int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 測試文件描述符fd是否在指定的文件描述符集set中。

下面我們看使用select函數實現的測試驅動中poll操作的測試程序，其代碼如下：

  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <unistd.h>  
  6. #include <sys/time.h>  
  7. #include <sys/types.h>  
  8. #include <sys/stat.h>  
  9.   
  10. int main(int argc, char *argv[])  
  11. {  
  12.     fd_set rfds, wfds;  
  13.     int fd0, fd1, fd2, fd3;  
  14.     char buf[100];  
  15.     int retval;      
  16.   
  17.     /* Wait up to ten seconds. */  
  18.     struct timeval tv;  
  19.     tv.tv_sec = 10;  
  20.     tv.tv_usec = 0;  
  21.   
  22.     if(argc != 2 || ((strcmp(argv[1], "read") != 0) && (strcmp(argv[1], "write") != 0)))  
  23.     {  
  24.         printf("usage: ./select_test read|write\n");  
  25.         return -1;  
  26.     }  
  27.   
  28.     fd0 = open("/dev/scullpipe0", O_RDWR);  
  29.     if ( fd0 < 0)  
  30.     {  
  31.         printf("open scullpipe0 error\n");  
  32.         return -1;  
  33.     }  
  34.       
  35.     fd1 = open("/dev/scullpipe1", O_RDWR);  
  36.     if ( fd1 < 0)  
  37.     {  
  38.         printf("open scullpipe1 error\n");  
  39.         return -1;  
  40.     }  
  41.       
  42.     fd2 = open("/dev/scullpipe2", O_RDWR);  
  43.     if ( fd2 < 0)  
  44.     {  
  45.         printf("open scullpipe2 error\n");  
  46.         return -1;  
  47.     }  
  48.       
  49.     fd3 = open("/dev/scullpipe3", O_RDWR);  
  50.     if ( fd3 < 0)  
  51.     {  
  52.         printf("open scullpipe3 error\n");  
  53.         return -1;  
  54.     }  
  55.   
  56.     if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  57.     {  
  58.         FD_ZERO(&rfds);  
  59.         FD_SET(fd0, &rfds);  
  60.         FD_SET(fd1, &rfds);  
  61.         FD_SET(fd2, &rfds);  
  62.         FD_SET(fd3, &rfds);  
  63.         retval = select(fd3 + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);  
  64.     }  
  65.     else  
  66.     {  
  67.         FD_ZERO(&wfds);  
  68.         FD_SET(fd0, &wfds);  
  69.         FD_SET(fd1, &wfds);  
  70.         FD_SET(fd2, &wfds);  
  71.         FD_SET(fd3, &wfds);  
  72.         retval = select(fd3 + 1, NULL, &wfds, NULL, &tv);  
  73.     }  
  74.   
  75.     if (retval == -1)  
  76.     {  
  77.         printf("select error!\n");  
  78.         return -1;  
  79.     }  
  80.     else if (retval)  
  81.     {  
  82.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  83.         {  
  84.             if(FD_ISSET(fd0, &rfds))  
  85.             {  
  86.                 printf("/dev/scullpipe0 is readable!\n");  
  87.                 memset(buf, 0, 100);  
  88.                 read(fd0, buf, 100);  
  89.                 printf("%s\n", buf);  
  90.             }  
  91.   
  92.             if(FD_ISSET(fd1, &rfds))  
  93.             {  
  94.                 printf("/dev/scullpipe1 is readable!\n");  
  95.                 memset(buf, 0, 100);  
  96.                 read(fd1, buf, 100);  
  97.                 printf("%s\n", buf);  
  98.             }  
  99.   
  100.             if(FD_ISSET(fd2, &rfds))  
  101.             {  
  102.                 printf("/dev/scullpipe2 is readable!\n");  
  103.                 memset(buf, 0, 100);  
  104.                 read(fd2, buf, 100);  
  105.                 printf("%s\n", buf);  
  106.             }  
  107.   
  108.             if(FD_ISSET(fd3, &rfds))  
  109.             {  
  110.                 printf("/dev/scullpipe3 is readable!\n");  
  111.                 memset(buf, 0, 100);  
  112.                 read(fd3, buf, 100);  
  113.                 printf("%s\n", buf);  
  114.             }  
  115.         }  
  116.         else  
  117.         {  
  118.             if(FD_ISSET(fd0, &wfds))  
  119.             {  
  120.                 printf("/dev/scullpipe0 is writable!\n");  
  121.             }  
  122.   
  123.             if(FD_ISSET(fd1, &wfds))  
  124.             {  
  125.                 printf("/dev/scullpipe1 is writable!\n");  
  126.             }  
  127.   
  128.             if(FD_ISSET(fd2, &wfds))  
  129.             {  
  130.                 printf("/dev/scullpipe2 is writable!\n");  
  131.             }  
  132.   
  133.             if(FD_ISSET(fd3, &wfds))  
  134.             {  
  135.                 printf("/dev/scullpipe3 is writable!\n");  
  136.             }  
  137.         }  
  138.     }  
  139.     else  
  140.     {  
  141.         if(strcmp(argv[1], "read") == 0)  
  142.         {  
  143.             printf("No data within ten seconds.\n");  
  144.         }  
  145.         else  
  146.         {  
  147.             printf("Can not write within ten seconds.\n");  
  148.         }  
  149.     }  
  150.   
  151.     return 0;  
  152. }  

測試過程如下圖所示：

從上圖可以看出，scullpipe0 - scullpipe3都是可寫的。但是因為沒有向其中寫入任何內容，所以讀的時候會阻塞住，因為測試程序設置最長阻塞時間為10秒，所以10秒后解除阻塞退出，并打印”No data within ten seconds.”。

下面再次測試讀操作，因為設備中沒有內容，還是阻塞住，但是在10秒鐘內，從另外一個終端向/dev/scullpipe2寫入數據，這里是寫入字符串”hello”，可以看到，寫入數據后，測試程序解除阻塞，并打印”/dev/scullpipe2 is readable!”和”hello”字符串，這個過程如下圖所示：

 

三、驅動程序中poll操作的實現

用戶空間的poll和select函數，最終都會調用驅動程序中的poll函數，其函數原型如下：

  1. unsigned int (*poll) (struct file *filp, poll_table *wait);  

poll函數應該實現兩個功能：

一是把能標志輪詢狀態(tài)變化的等待隊列加入到poll_table中，這通過調用poll_wait函數實現。

二是返回指示能進行的I/O操作的標志位。

poll函數的第二個參數poll_table，是內核中用來實現poll，select系統(tǒng)調用的結構體，對于驅動開發(fā)者來說，不必關心其具體內容，可以把poll_table看成是不透明的結構體，只要拿過來使用就可以了。驅動程序通過poll_wait函數，把能夠喚醒進程，改變輪詢狀態(tài)的等待隊列加入到poll_table中。該函數定義如下：

  1. void poll_wait (struct file *, wait_queue_head_t *, poll_table *);  

對于poll函數的第二個功能，返回的標志位與用戶空間相對應，最常用的標志位是POLLIN | POLLRDNORM和POLLOUT | POLLWRNORM，分別標志可進行非阻塞的讀和寫操作。

下面看scullpipe設備對poll操作的實現，其內容其實非常簡單：

  1. 228static unsigned int scull_p_poll(struct file *filp, poll_table *wait)  
  2. 229{  
  3. 230    struct scull_pipe *dev = filp->private_data;  
  4. 231    unsigned int mask = 0;  
  5. 232  
  6. 233    /* 
  7. 234     * The buffer is circular; it is considered full 
  8. 235     * if "wp" is right behind "rp" and empty if the 
  9. 236     * two are equal. 
  10. 237     */  
  11. 238    down(&dev->sem);  
  12. 239    poll_wait(filp, &dev->inq,  wait);  
  13. 240    poll_wait(filp, &dev->outq, wait);  
  14. 241    if (dev->rp != dev->wp)  
  15. 242        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;    /* readable */  
  16. 243    if (spacefree(dev))  
  17. 244        mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;   /* writable */  
  18. 245    up(&dev->sem);  
  19. 246    return mask;  
  20. 247}  

第239行，調用poll_wait函數將讀等待隊列加入到poll_table中。

第240行，調用poll_wait函數將寫等待隊列加入到poll_table中。

241 - 242行，如果有內容可讀，設置可讀標志位。

243 - 244行，如果有空間可寫，設置可寫標志位。

246行，將標志位返回。

驅動程序中的poll函數很簡單，那么內核是怎么實現poll和select系統(tǒng)調用的呢？當用戶空間程序調用poll和select函數時，內核會調用由用戶程序指定的全部文件的poll方法，并向它們傳遞同一個poll_table結構。poll_table結構其實是一個生成”實際數據結構”的函數(名為poll_queue_proc)的封裝，這個函數poll_queue_proc，不同的應用場景，內核有不同的實現，這里我們不仔細研究對應的函數。對于poll和select系統(tǒng)調用來說，這個”實際數據結構”是一個包含poll_table_entry結構的內存頁鏈表。這里提到的相關數據結構在linux-2.6.32-38源碼中，定義在include/linux/poll.h文件中，代碼如下所示：

  1. 30/* 
  2. 31 * structures and helpers for f_op->poll implementations 
  3. 32 */  
  4. 33typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);  
  5. 34  
  6. 35typedef struct poll_table_struct {  
  7. 36    poll_queue_proc qproc;  
  8. 37    unsigned long key;  
  9. 38} poll_table;  
  10. 39  
  11. 40static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)  
  12. 41{  
  13. 42    if (p && wait_address)  
  14. 43        p->qproc(filp, wait_address, p);  
  15. 44}  
  16. 45  
  17. 46static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)  
  18. 47{  
  19. 48    pt->qproc = qproc;  
  20. 49    pt->key   = ~0UL; /* all events enabled */  
  21. 50}  
  22. 51  
  23. 52struct poll_table_entry {  
  24. 53    struct file *filp;  
  25. 54    unsigned long key;  
  26. 55    wait_queue_t wait;  
  27. 56    wait_queue_head_t *wait_address;  
  28. 57};  

poll操作我們就分析完了，內核要求驅動程序做的事并不多，但是我們在學習時，要把poll操作和前面介紹的阻塞型read/write函數以及scullpipe設備的等待隊列等結合起來考慮，因為scullpipe設備是一個完整的程序模塊。

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