Linux内核：poll机制

在编写驱动程序的过程当中我们可以使用poll机制来非阻塞的打开我们的设备文件，我们知道，在之前我们编写CC1100的驱动程序以及倒车雷达的驱动程序的时候，在read函数中都有用到过wait_event_interruptible_timeout这个函数，这个函数的主要作用就是采用非阻塞的read，因为每一次我们read函数的时候，都会先判断是否有新的数据可以读，如果没有新的数据就会休眠等待有新的数据。同时我们这里也给休眠等待规定了之间限制，即如果在规定的时间里面如果没有新的数据的话，便会自己唤醒自己。当然如果说是我们在上层应用程序只需要打开一个驱动程序的时候，其实这个方式也还比较适用。但是Linux内核针对这种情况呢，自己采用了一种全新的方式，那就是poll机制。其实poll机制的实现原理与我们上面用到的方法也是一样的。

当应用程序调用poll、select函数的时候，会调用到系统调用do_sys_poll函数，该函数最终调用do_poll函数，do_poll函数中有一个死循环，在里面又会利用do_pollfd函数去调用驱动中的poll函数（fds中每个成员的字符驱动程序都会被扫描到），驱动程序中的Poll函数的工作有两个，一个就是调用poll_wait函数，把进程挂到等待队列中去（这个是必须的，你要睡眠，必须要在一个等待队列上面，否则到哪里去唤醒你呢？？），另一个是确定相关的fd是否有内容可读，如果可读，就返回1，否则返回0，如果返回1
，do_poll函数中的count++， 然后do_poll函数然后判断三个条件（if (count ||!timeout || signal_pending(current))）如果成立就直接跳出，如果不成立，就睡眠timeout个jiffes这么长的时间（调用schedule_timeout实现睡眠），如果在这段时间内没有其他进程去唤醒它，那么第二次执行判断的时候就会跳出死循环。如果在这段时间内有其他进程唤醒它，那么也可以跳出死循环返回（例如我们可以利用中断处理函数去唤醒它，这样的话一有数据可读，就可以让它立即返回)。

首先系统会调用do_sys_poll函数，该函数的主要作用是去调用do_poll函数。函数源码如下：

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
		struct timespec *end_time)
{
	struct poll_wqueues table;
 	int err = -EFAULT, fdcount, len, size;
	/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be
	   faster - use long to make sure the buffer is aligned properly
	   on 64 bit archs to avoid unaligned access */
	long stack_pps[POLL_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
	struct poll_list *const head = (struct poll_list *)stack_pps;
 	struct poll_list *walk = head;
 	unsigned long todo = nfds;

	if (nfds > rlimit(RLIMIT_NOFILE))
		return -EINVAL;

	len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);
	//这个for循环会进行一些简单的判断。通常一般都会跳出该for循环。
	for (;;) {
		walk->next = NULL;
		walk->len = len;
		if (!len)
			break;
		//这段代码很关键，将应用程序中通过open函数得到的fd信息，在这里copy给linux内核变量walk->entries。这个时候walk变量就携带有设备文件的fd信息了。
		if (copy_from_user(walk->entries, ufds + nfds-todo,
					sizeof(struct pollfd) * walk->len))
			goto out_fds;

		todo -= walk->len;
		if (!todo)
			break;

		len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);
		size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;
		walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
		if (!walk) {
			err = -ENOMEM;
			goto out_fds;
		}
	}
	//进行一些初始化的动作
	poll_initwait(&table);
	//关键调用函数，会去调用do_poll函数，通过其返回值来判断其可读的个数，同时table指针是poll_wqueues类型的指针
	//该poll_wqueues结构体包含有poll_table、poll_table_page、task_struct等非常重要的结构体和指针，例如后面要用到的等待队列项wait_queue_t就存放在
	//poll_table_page->poll_table_entry->wait_queue_t中，当然poll_wait函数是可以通过poll_table_struct的地址找到poll_table_entry的。
	//看我们这里的第二个参数head，其实就是walk的地址（poll_list指针类型）。
	fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);
	poll_freewait(&table);

	for (walk = head; walk; walk = walk->next) {
		struct pollfd *fds = walk->entries;
		int j;

		for (j = 0; j < walk->len; j++, ufds++)
			if (__put_user(fds[j].revents, &ufds->revents))
				goto out_fds;
  	}

	err = fdcount;
out_fds:
	walk = head->next;
	while (walk) {
		struct poll_list *pos = walk;
		walk = walk->next;
		kfree(pos);
	}

	return err;
}

下面继续看我们的do_poll函数的源代码

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,
		   struct poll_wqueues *wait, struct timespec *end_time)
{
	poll_table* pt = &wait->pt;
	ktime_t expire, *to = NULL;
	int timed_out = 0, count = 0;
	unsigned long slack = 0;

	/* Optimise the no-wait case */
	if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
		pt = NULL;
		timed_out = 1;
	}

	if (end_time && !timed_out)
		slack = select_estimate_accuracy(end_time);

	for (;;) {
		struct poll_list *walk;
		//看这里面的walk首先会指向list。每一个walk都应该代表一个设备文件，因为walk里面的entries数组只有一个元素用来存放fd信息的
		for (walk = list; walk != NULL; walk = walk->next) {
			struct pollfd * pfd, * pfd_end;

			pfd = walk->entries;
			pfd_end = pfd + walk->len;
			for (; pfd != pfd_end; pfd++) {
				/*
				 * Fish for events. If we found one, record it
				 * and kill the poll_table, so we don't
				 * needlessly register any other waiters after
				 * this. They'll get immediately deregistered
				 * when we break out and return.
				 */
				//调用do_pollfd函数，该函数会调用我们自己编写驱动程序的file_operation->poll函数指针指向的函数
				if (do_pollfd(pfd, pt)) {
					count++;
					pt = NULL;
				}
			}
		}
		/*
		 * All waiters have already been registered, so don't provide
		 * a poll_table to them on the next loop iteration.
		 */
		pt = NULL;
		if (!count) {
			count = wait->error;
			if (signal_pending(current))
				count = -EINTR;
		}
		if (count || timed_out)
			break;

		/*
		 * If this is the first loop and we have a timeout
		 * given, then we convert to ktime_t and set the to
		 * pointer to the expiry value.
		 */
		if (end_time && !to) {
			expire = timespec_to_ktime(*end_time);
			to = &expire;
		}

		if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack))  //关键函数，该函数会使进程将当前进程休眠，因为在此前该进程已经被标识在等待队列上了
			timed_out = 1;
	}
	return count;
}

这里要注意的是poll_list是一个单向链表，这个链表应该表示不同的fd设备文件信息，所以这也是为什么poll有轮询的机制，它会轮询

所有fd设备驱动程序的poll函数。

下面我们再继续看我们有一个关键函数do_pollfd，这个函数的作用在于可以去调用我们自己在驱动程序里面即file_operation->poll函数指针指向的函数

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
	unsigned int mask;
	int fd;

	mask = 0;
	fd = pollfd->fd;
	if (fd >= 0) {
		int fput_needed;
		struct file * file;

		file = fget_light(fd, &fput_needed);
		mask = POLLNVAL;
		if (file != NULL) {
			mask = DEFAULT_POLLMASK;
			if (file->f_op && file->f_op->poll) {
				if (pwait)
					pwait->key = pollfd->events |
							POLLERR | POLLHUP;
				mask = file->f_op->poll(file, pwait);  //这句代码很关键，在这里就直接调用驱动程序的poll函数了
			}
			/* Mask out unneeded events. */
			mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;
			fput_light(file, fput_needed);
		}
	}
	pollfd->revents = mask;

	return mask;
}

通常我们自己在驱动程序中编写poll函数时都会是这样的模式

static unsigned int button_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{
	unsigned int mask = 0; //定义一个返回变量
	poll_wait(file,&button_waitq,wait)  //将当前进程加入以button_waitq（通常是自己定义）为队列头的等待队列
	
	if(flag)  //看是否有新的数据可读，如果有则将标志位maks |=POLLIN|POLLRDNORM，并返回。
		maks |=POLLIN|POLLRDNORM;
	return mask;
 
}

这里我们使用了poll机制一个非常重要的函数poll_wait函数，这个函数的主要作用就是将当前进程加入等待队列，并且将进程的状态标志位置为interruptable

下面我们来看看poll_wait函数

static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
				poll_table *p)
{
	struct poll_wqueues *pwq = container_of(p, struct poll_wqueues, pt);
	struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
	if (!entry)
		return;
	get_file(filp);
	entry->filp = filp;
	entry->wait_address = wait_address;
	entry->key = p->key;
	init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake);
	entry->wait.private = pwq;
	add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}

注意这里面有一个 poll_get_entry函数，该函数是取得一个poll_table_entry的地址，我们只要关注poll_get_entry的最后一个代码就可

static struct poll_table_entry *poll_get_entry(struct poll_wqueues *p)
{
	struct poll_table_page *table = p->table;

	if (p->inline_index < N_INLINE_POLL_ENTRIES)
		return p->inline_entries + p->inline_index++;

	if (!table || POLL_TABLE_FULL(table)) {
		struct poll_table_page *new_table;

		new_table = (struct poll_table_page *) __get_free_page(GFP_KERNEL);
		if (!new_table) {
			p->error = -ENOMEM;
			return NULL;
		}
		new_table->entry = new_table->entries;
		new_table->next = table;
		p->table = new_table;
		table = new_table;
	}

	return table->entry++;  //这个代码很关键，entry++，这样就保证了每一个我们调用poll_wait函数的时候，都会有一个新的wait_queue_t项
}