一、linux的IO 多路复用介绍
IO 多路复用是一种同步的 IO 模型。IO 多路复用可以实现一个进程监视多个文件描述符。一旦某个文件描述符准备就绪，就通知应用程序进行相应的读写操作。没有文件描述符就绪时就会阻塞应用程序，从而释放出 CPU 资源。
在应用层 Linux 提供了三种实现 IO 多路复用的模型，分别是select、poll 和epoll。poll 函数和select 函数都可以监听多个文件描述符，通过轮询来获取已经准备好的文件描述符。但是epoll 函数将主动轮询变成了被动通知，当事件发生时被动接收通知。在单个线程中，select 函数最大可以监视1024 个文件描述符，而 poll 函数和 select 函数并没有什么区别，只是 poll 函数没有最大文件描述符的限制。
1.1、应用层的poll 函数
在 Linux 应用程序中poll 函数如下所示：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,int timeout);
第一个参数 fds: 要监视的文件描述符集合以及要监视的事件，为一个数组，数组元素都是结构体 pollfd 类型，pollfd 结构体如下所示：
struct pollfd
{
int fd; //被监视的文件描述符
short events; //等待的事件
short revents; //实际发生的事件
}；
在 pollfd 结构体中，第一个成员 fd 是被监视的文件描述符。第二个成员events 是要监视的事件，可监视的事件类型如下所示：
POLLIN 有数据可以读取
POLLPRI 有紧急的数据需要读取
POLLOUT 可以写数据
POLLERR 指定的文件描述符发生错误
POLLHUP 指定的文件描述符挂起
POLLNVAL 无效的请求
POLLRDNORM 等同于 POLLIN
第三个成员是返回事件，由 Linux 内核设置具体的返回事件。
第二个参数 nfds: poll 函数要监视的文件描述符数量
第三个参数 timeout:指定等待的时间，单位是 ms。无论I/O 是否准备好，时间到POLL就会返回。如果 timepoll 大于 0 等待指定的时间，如果 timeout 等于0，立即返回。如果timeout等于-1，事件发生以后才返回。
1.2、驱动层的poll 函数
当应用程序使用 select 或者 poll 函数对驱动程序进行非阻塞访问时，驱动程序中file_operations 操作集的 poll 函数会执行。所以需要完善驱动中的poll 函数。驱动中的poll 函数原型如下所示：
unsigned int (*poll)(struct file *filp,struct poll_table_struct *wait);
函数参数：
filp:要打开的文件描述符
wait: 结构体 poll_table_struct 类型指针，此参数是由应用程序中传递的。一般此参数要传递给 poll_wait 函数。
返回值：
向应用程序返回资源状态，可以返回的资源状态如下：
POLLIN 有数据可以读取
POLLPRI 有紧急的数据需要读取
POLLOUT 可以写数据
POLLERR 指定的文件描述符发生错误
POLLHUP 指定的文件描述符挂起
POLLNVAL 无效的请求
POLLRDNORM 等同于 POLLIN，普通数据可读。
函数功能：
这个函数要进行下面两项工作。首先，对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait(),将对应的等待队列头添加到 poll_table.然后返回表示是否能对设备进行无阻塞读写访问的掩码。
驱动程序的 poll 函数中调用 poll_wait 函数，注意！poll_wait 函数是不会引起阻塞的。poll_wait 函数原型如下所示：
void poll_wait(struct file *filp,wait_queue_head_t *queue,poll_table *wait);
参数 queue 是要添加到 poll_table 中的等待队列头，参数wait 是poll_table，也就是file_operations 中 poll 函数的 wait 参数。
二、代码示例
2.1、应用层程序
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;//要监视的文件描述符
char buf1[32] = {
0};
char buf2[32] = {
0};
struct pollfd fds[1];
int ret;
fd = open("/dev/test", O_RDWR); //打开/dev/test设备，阻塞式访问
if (fd < 0)
{
perror("open error \n");
return fd;
}
fds[0] .fd =fd;
fds[0].events = POLLIN;
printf("read before \n");
while (1)
{
ret = poll(fds,1,3000);
if(!ret)
{
printf("time out !!\n");
}else if(fds[0].revents == POLLIN)
{
read(fd,buf1,sizeof(buf1)); //从/dev/test文件读取数据
printf("buf is %s \n",buf1);
sleep(1);
}
}
printf("read after\n");
close(fd); //关闭文件
return 0;
}
2.2、驱动层程序
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
struct device_test{
dev_t dev_num; //设备号
int major ; //主设备号
int minor ; //次设备号
struct cdev cdev_test; // cdev
struct class *class; //类
struct device *device; //设备
char kbuf[32];
int flag; //标志位
};
struct device_test dev1;
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(read_wq); //定义并初始化等待队列头
/*打开设备函数*/
static int cdev_test_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
file->private_data=&dev1;//设置私有数据
return 0;
}
/*向设备写入数据函数*/
static ssize_t cdev_test_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{
struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;
if (copy_from_user(test_dev->kbuf, buf, size) != 0) // copy_from_user:用户空间向内核空间传数据
{
printk("copy_from_user error\r\n");
return -1;
}
test_dev->flag=1;
wake_up_interruptible(&read_wq);
return 0;
}
/**从设备读取数据*/
static ssize_t cdev_test_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{
struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;
if(file->f_flags & O_NONBLOCK ){
if (test_dev->flag !=1)
return -EAGAIN;
}
wait_event_interruptible(read_wq,test_dev->flag);
if (copy_to_user(buf, test_dev->kbuf, strlen( test_dev->kbuf)) != 0) // copy_to_user:内核空间向用户空间传数据
{
printk("copy_to_user error\r\n");
return -1;
}
return 0;
}
static int cdev_test_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}
static __poll_t cdev_test_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *p){
struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data; //设置私有数据
__poll_t mask=0;
poll_wait(file,&read_wq,p); //应用阻塞
if (test_dev->flag == 1)
{
mask |= POLLIN;
}
return mask;
}
/*设备操作函数*/
struct file_operations cdev_test_fops = {
.owner = THIS_MODULE, //将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
.open = cdev_test_open, //将open字段指向chrdev_open(...)函数
.read = cdev_test_read, //将open字段指向chrdev_read(...)函数
.write = cdev_test_write, //将open字段指向chrdev_write(...)函数
.release = cdev_test_release, //将open字段指向chrdev_release(...)函数
.poll = cdev_test_poll, //将poll字段指向chrdev_poll(...)函数
};
static int __init chr_fops_init(void) //驱动入口函数
{
/*注册字符设备驱动*/
int ret;
/*1 创建设备号*/
ret = alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num, 0, 1, "alloc_name"); //动态分配设备号
if (ret < 0)
{
goto err_chrdev;
}
printk("alloc_chrdev_region is ok\n");
dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num); //获取主设备号
dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num); //获取次设备号
printk("major is %d \r\n", dev1.major); //打印主设备号
printk("minor is %d \r\n", dev1.minor); //打印次设备号
/*2 初始化cdev*/
dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&dev1.cdev_test, &cdev_test_fops);
/*3 添加一个cdev,完成字符设备注册到内核*/
ret = cdev_add(&dev1.cdev_test, dev1.dev_num, 1);
if(ret<0)
{
goto err_chr_add;
}
/*4 创建类*/
dev1. class = class_create(THIS_MODULE, "test");
if(IS_ERR(dev1.class))
{
ret=PTR_ERR(dev1.class);
goto err_class_create;
}
/*5 创建设备*/
dev1.device = device_create(dev1.class, NULL, dev1.dev_num, NULL, "test");
if(IS_ERR(dev1.device))
{
ret=PTR_ERR(dev1.device);
goto err_device_create;
}
return 0;
err_device_create:
class_destroy(dev1.class); //删除类
err_class_create:
cdev_del(&dev1.cdev_test); //删除cdev
err_chr_add:
unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号
err_chrdev:
return ret;
}
static void __exit chr_fops_exit(void) //驱动出口函数
{
/*注销字符设备*/
unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号
cdev_del(&dev1.cdev_test); //删除cdev
device_destroy(dev1.class, dev1.dev_num); //删除设备
class_destroy(dev1.class); //删除类
}
module_init(chr_fops_init);
module_exit(chr_fops_exit);
2.3、linux的IO 多路复用使用API要点
应用层
struct pollfd fds[1];
fds[0] .fd =fd;
fds[0].events = POLLIN;
ret = poll(fds,1,3000);
驱动层
static __poll_t cdev_test_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *p)
{
struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data; //设置私有数据
__poll_t mask=0;
poll_wait(file,&read_wq,p); //应用阻塞
if (test_dev->flag == 1)
{
mask |= POLLIN;
}
return mask;
}