Linux设备驱动程序之异步通知与异步I/O

在应用程序中，为了捕获信号(还捕获呢， 不就是一个处理吗)可以使用signal()函数来设置对应的信号的处理函数。
  void sigterm_handler(int signo)
{
char data[MAX_LEN];
int len;
len=read(STDIN_FILENO, &data,MAX_LEN);
data[len]=0;
printf("Input available:%s\n",data);
exit(0);
}
int main(void)
{
int oflags;
//启动信号驱动机制
    signal(SIGIO, sigterm_handler);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);
//建立一个死循环，防止程序结束
    while(1);
return 0;
}




在设备驱动中异步通知编程还是比较简单的，主要就是一些数据结构，和两个函数：
数据结构：fasync_struct结构体
函数：1）处理FASYNC标志变更的函数int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode ,struct fasync_struct **fa);
        2) 释放信号用的函数void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);
和其他设备驱动一样，一般将fasync_struct放到设备结构体中。下边是典型模版：

struct xxx_dev
{
struct cdev cdev;
...
struct fasync_struct *async_queue;  //异步结构体
}

而在驱动的fasync()函数中，只需要简单的将该参数的3个参数以及fasync_struct结构体指针的指针作为第四个参数传给fasync_helper函数即可.下边是典型模版:
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)
{
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);
}
一旦设备资源可以获得时,应该调用kill_fasync()释放SIGIO信号,可读时第三个参数设置为POLL_IN,可写时第三个参数设置为POLL_OUT,下边是释放信号的典型模版：

static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,loff_t *f_ops)
{
struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
....
//产生异步信号
if(dev->async_queue)
{
kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
}
..
}

最后，在文件关闭时，即在设备驱动的release函数中，应调用设备驱动的fasync()函数将文件从异步通知的列表中删除，下边是设备驱动的释放函数的典型模版:

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
//将文件从异步通知列表中删除
xxx_fasync(-1,filp,0);
...
return 0;
}
 
实际例子可以参考driver/char/rtc.c

 

在异步非阻塞IO中，我们是可以同时发起多个传输操作。这需要每个操作都有一个唯一的上下文，这样才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在AIO中，

通过aiocb(AIO IO control Block)结构体进行区分，这个结构体如下：

struct aiocb {
int		aio_fildes;	/* File descriptor */
off_t		aio_offset;	/* File offset */
volatile void *	aio_buf;	/* Location of buffer */
size_t		aio_nbytes;	/* Length of transfer */
int		aio_reqprio;	/* Request priority offset */
struct sigevent	aio_sigevent;	/* Signal number and value */
int		aio_lio_opcode;	/* Operation to be performed */
};

从上边我们可以看到，这个结构体包含了有关传输的所有信息，包括数据准备的用户缓冲区。在产生IO通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的IO操作。

AIO系列API中主要有下边几个函数：

1.int aio_read(struct aiocb *aiocbp)

   该函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。在请求进行排队之后会立即返回，如果执行成功，返回值就为0，错误则返回-1并设置errno的值。

2.int aio_write(struct aiocb *aiocbp)
   该函数请求一个异步写操作，它会立即返回说明请求已经进行排队，成功返回0，失败返回为-1，并设置相应的error值。

3.int aio_error(struct aiocb *aiocbp)

   该函数用来确定请求的状态，可以返回EINPROGRESS(说明请求尚未完成)，ECANCELLED(请求被应用程序取消了)，-1(说明发生了错误，具体错误原因由error记录)。

4.ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp)

   由于并没有阻塞在read调用上，所以我们不能立即返回这个函数的返回状态，这是就要使用这个函数了，需要注意的是只有在aio_error调用确定请求已经完成(可能

已经完成，也可能发生了错误)之后，才能调用这个函数，这个函数的返回值就相当于同步情况下read或write系统调用的返回值(所传输的字节数，如果发生错误，则返回-1)。

5.int aio_suspend(const struct aiocb *const cblist[], int n ,const struct timespec *timeout)

   用户可以通过这个函数来来挂起(或阻塞)调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个aiocb引用列表，其中任何一个完成都会导致给函数返回。

6.int aio_cancel(int fd ,struct aiocb *aiocbp)

   该函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所有的IO请求。

   如果要取消一个请求，用户需提供文件描述符和aiocb引用，如果这个请求被成功取消了，则返回AIO_CANCELED,如果该请求完成了，返回AIO_NOTCANCELED.

   如果要取消对某个给定文件描述符的所有请求，用户需要提供这个文件的描述符以及一个aiocbp的NULL引用，如果所有请求被成功取消了，则返回AIO_CANCELED

,只要至少有一个没被取消，这个函数就返回AIO_NOT_CANCELED.如果没有一个请求可以被取消，该函数就会返回AIO_ALLDONE.

   然后，可以使用aio_error来验证每个AIO请求，如果某个请求已经被返回了，那么aio_error就返回-1，并且error会被设置为ECANCELED.

7.int lio_listio(int mode ,struct aiocb *list[], int nent ,struct sigevent *sig)

  这个操作使得用户可以在一个系统调用(一次内核上下文切换中启动大量的I/O操作)。其中，mode参数可以是LIO_WAIT或LIO_NOWAIT,前者会阻塞这个调用，直到所有的IO都完成为止，在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT就会返回，list是一个aiocb引用的列表，最大元素的个数有nent定义的。如果list的元素为NULL,lio_lis

tio()将被忽略。

光说理论也不行，是不？现在来点实际点的：

a)用户空间读例程:

#include <aio.h>
..
int fd, set;
struct aiocb my_aiocb;
fd = open("file.txt", O_RDONLY);
if( fd <0 )
{
perror("open");
}
//清零aiocb结构体
bzero((char *) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb));
//为aiocb请求分配数据缓冲区
my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE + 1);
if(!my_aiocb.aio_buf)
perror("malloc");
//初始化aiocb的成员
my_aiocb.aio_fildes = fd;
my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;
my_aiocb.aio_offset = 0;
ret = aio_read(&my_aiocb);
if(ret < 0)
perror("aio_read");
while(aio_error(&my_aiocb) == EINPROGRESS)
;
if((ret = aio_return(&my_iocb)))
{
// 获得异步读的返回值
}
else
{
读失败，分析errror
}

b)用户空间异步IO aio_suspend()函数使用例程

struct aioct *cblist(MAX_LIST)
//清零aioct结构链表
bzero((char *)cblist, sizeof(cblist));
//将一个或更多的aiocb放入aioct结构体链表
cblist[0] = &my_aiocb;
ret = aio_read( &my_aiocb);
ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL);

c)用户空间异步IO lio_list()函数使用例程

struct aiocb aiocb1,aiocb2;
struct  aiocb *list[MAX_LIST];
...
//准备第一个aiocb
aiocb1.aio_fildes = fd;
aiocb1.aio_buf = malloc(BUFSIZE +1);
aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;
aiocb1.aio_offset = next_offset;
aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ;//异步读操作
...//准备多个aiocb
bzero((char *)list, sizeof(list));
//将aiocb填入链表
list[0] = &aiocb1;
list[1]   = &aiocb2;
...
ret = lio_listio(LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL); //发起大量IO操作

先上代码：使用信号作为AIO异步IO通知机制

void setup_io(..)
{
int fd;
struct sigaction sig_act;
struct aiocb my_aiocb;
...
//设置信号处理函数
sigemptyset(&sig_act.sa_mask);
sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;
//设置AIO请求
bzero((char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb));
my_aiocb.aio_flags = fd;
my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE + 1);
my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
my_aiocb.offset = next_offset;
//连接AIO请求和信号处理函数
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNVAL;
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;
my_aiocb.aic_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;
//将信号和处理函数绑定
ret = sigaction(SIGION, &sig_act, NULL);
...
ret = aio_read(&my_aiocb);
｝
//信号处理函数
void aio_completion_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context)
{
struct aiocb *req;
//确定是我们需要的信号
if(info->si_signo == SIGIO)
{
req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr; //获得aiocb;
//请求的操作是否完成
if(aio_error(req) ==0 )
{
ret = aio_return(req);
}
}
return ;
}

从上边可以看到，使用AIO的应用程序同样需要定义信号处理函数，在指定的信号被产生时会触发调用这个处理程序。

“那么是不是就只能使用信号这种方式呢，我记得以前没一个知识点你都给我讲了好多方法，这个歌也不例外吧”小王说。

“嗯，真聪明，就喜欢聪明的女生”听到小王也懂得开动脑子了，我也要表示表示不是。

再上代码：使用回调函数最为AIO的通知

void setup_io(..)
{
...//同上
//连接AIO请求和线程回调函数
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;
//设置回调函数 
my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;
...
ret = aio_read(&my_aiocb);
｝
//信号处理函数
void aio_completion_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context)
{
struct aiocb *req;
req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; //获得aiocb;
//请求的操作是否完成
if(aio_error(req) ==0 )
{
ret = aio_return(req);
}
return ;
}

上述程序在创建aiocb请求之后，使用SIGEV_THREAD请求了一个线程回调函数作为通知方法。在回调函数中。通过(struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr可以获得对应的aiocb指针，使用AIO函数可验证请求是否已经完成。

 

在Linux内核中，每个IO请求都对应一个kiocb结构体，其ki_filp成员指向对应的file指针，通过is_sync_kiocb可以判断某Kiocb时候为同步IO请求，如果非真，表示是异步IO请求。

  块设备和网络设备本身就是异步的。只有字符设备驱动必须明确指出应支持AIO.需要说明的是AIO对于大多数字符设备而言都不是必须的。只有少数才需要。

  在字符设备驱动程序中，file_operations包含了3个和AIO相关的函数。如下：

 ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count ,loff_t offset);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count ,loff_t offset);
 int (*aio_fsync) (struct kiocb *iocb, int datasync);

aio_read()和aio_write()与file_operation中的read()和write()中的offset参数不同，它直接传递值，而后者传递的是指针。这两个函数本身也不一定完成读写操作，它只是发起，初始化读写操作。

下面来看看实际的代码部分：

//异步读
static ssize_t xxx_aio_read(struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count ,loff_t offset)
{
return xxx_defer_op(0, iocb, buf, count, pos);
}
//异步写
static ssize_t xxx_aio_write(struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count ,loff_t offset)
{
return xxx_defer_op(1, iocb, (char *)buf, count, pos);
}
//初始化异步IO
static int xxx_defer_op(int write, struct kiocb *iocb, char *buf, size_t count, loff_t pos)
{
struct async_work *async_wk;
int result;
//当可以访问buffer时进行复制
if(write)
{
result = xxx_write (iocb->ki_filp, buf, count, &pos );
}
else
{
result = xxx_read (iocb->ki_filp, buf, count, &pos );
}
//如果是同步IOCB, 立即返回状态
if(is_sync_kiocb(iocb))
return resutl;
//否则，推后几us执行
async_wk = kmalloc(sizeof(*async_wk), GFP_KERNEL ));
if(async_wk==NULL)
return result;
async_wk->aiocb = iocb;
async_ wk->result = result;
   INIT_WORK(&async_wk->work, xxx_do_deferred_op, async_wk);
schedule_delayed_work(&async_wk->work, HZ/100);
return -EIOCBOUEUED;//控制权限返回给用户空间
}
//延迟后执行
static void xxx_do_deferred_op(void *p)
{
struct async_work *async_wk = (struct async_work*)p;
     aio_complete(async_wk_iocb, async_wk->result, 0);
kfree(async_wk);
}

在上述代码中有一个async_work的结构体定义如下：

struct async_work
{
struct kiocb *iocb;//kiocb结构体指针
intresult;//执行结果
struct work_struct work; //工作结构体
};

在上边代码中最核心的是使用aync_work结构体将操作延迟，通过schedule_delayed_work可以调度其运行，而aio_complete的调用用于通知内核驱动程序已经完成了操作。