Linux设备驱动编程之阻塞与非阻塞

阻塞操作是指，在执行设备操作时，若不能获得资源，则进程挂起直到满足可操作的条件再进行操作。非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，并不挂起。被挂起的进程进入sleep状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。

　　在Linux驱动程序中，我们可以使用等待队列（wait queue）来实现阻塞操作。wait queue很早就作为一个基本的功能单位出现在Linux内核里了，它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。等待队列可以用来同步对系统资源的访问，上节中所讲述Linux信号量在内核中也是由等待队列来实现的。

　　下面我们重新定义设备"globalvar"，它可以被多个进程打开，但是每次只有当一个进程写入了一个数据之后本进程或其它进程才可以读取该数据，否则一直阻塞。

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/wait.h>
#include <asm/semaphore.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254

static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);

struct file_operations globalvar_fops =
{
　read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};

static int global_var = 0;
static struct semaphore sem;
static wait_queue_head_t outq;
static int flag = 0;

static int __init globalvar_init(void)
{
　int ret;
　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar register failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar register success");
　　init_MUTEX(&sem);
　　init_waitqueue_head(&outq);
　}
　return ret;
}

static void __exit globalvar_exit(void)
{
　int ret;
　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar unregister failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar unregister success");
　}
}

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//等待数据可获得
　if (wait_event_interruptible(outq, flag != 0))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　flag = 0;
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}
　up(&sem);
　return sizeof(int);
}

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len,loff_t *off)
{
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}
　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}
　up(&sem);
　flag = 1;
　//通知数据可获得
　wake_up_interruptible(&outq);
　return sizeof(int);
}

module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);

　　编写两个用户态的程序来测试，第一个用于阻塞地读/dev/globalvar，另一个用于写/dev/globalvar。只有当后一个对/dev/globalvar进行了输入之后，前者的read才能返回。

　　读的程序为：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
　int fd, num;

　fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
　if (fd != - 1)
　{
　　while (1)
　　{
　　　read(fd, &num, sizeof(int)); //程序将阻塞在此语句，除非有针对globalvar的输入
　　　printf("The globalvar is %d\n", num);

　　　//如果输入是0，则退出
　　　if (num == 0)
　　　{
　　　　close(fd);
　　　　break;
　　　}
　　}
　}
　else
　{
　　printf("device open failure\n");
　}
}

　　写的程序为：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
　int fd, num;

　fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
　if (fd != - 1)
　{
　　while (1)
　　{
　　　printf("Please input the globalvar:\n");
　　　scanf("%d", &num);
　　　write(fd, &num, sizeof(int));

　　　//如果输入0，退出
　　　if (num == 0)
　　　{
　　　　close(fd);
　　　　break;
　　　}
　　}
　}
　else
　{
　　printf("device open failure\n");
　}
}

　　打开两个终端，分别运行上述两个应用程序，发现当在第二个终端中没有输入数据时，第一个终端没有输出（阻塞），每当我们在第二个终端中给globalvar输入一个值，第一个终端就会输出这个值，如下图：

　　关于上述例程，我们补充说一点，如果将驱动程序中的read函数改为：

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//获取信号量：可能阻塞
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　//等待数据可获得：可能阻塞
　if (wait_event_interruptible(outq, flag != 0))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}
　flag = 0;

　//临界资源访问
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}

　//释放信号量
　up(&sem);

　return sizeof(int);
}

　　即交换wait_event_interruptible(outq, flag != 0)和down_interruptible(&sem)的顺序，这个驱动程序将变得不可运行。实际上，当两个可能要阻塞的事件同时出现时，即两个wait_event或down摆在一起的时候，将变得非常危险，死锁的可能性很大，这个时候我们要特别留意它们的出现顺序。当然，我们应该尽可能地避免这种情况的发生！