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Linux异步通知 fasync

2016-06-16 21:29 260 查看

Linux异步通知 fasync

要弄明白这个问题，我们得从最基本的原理开始。我们知道，驱动程序运行在内核空间中，应用程序运行
在用户空间中，两者是不能直接通信的。但在实际应用中，在设备已经准备好的时候，我们希望通知用户
程序设备已经ok，用户程序可以读取了，这样应用程序就不需要一直查询该设备的状态，从而节约了资源
，这就是异步通知。

好，那下一个问题就来了，这个过程如何实现呢？简单，两方面的工作。

一驱动方面：

1. 在设备抽象的数据结构中增加一个struct fasync_struct的指针

2. 实现设备操作中的fasync函数，这个函数很简单，其主体就是调用内核的fasync_helper函数。

3. 在需要向用户空间通知的地方(例如中断中)调用内核的kill_fasync函数。

4. 在驱动的release方法中调用前面定义的fasync函数

呵呵，简单吧，就三点。其中fasync_helper和kill_fasync都是内核函数，我们只需要调用就可以了。在
1中定义的指针是一个重要参数，fasync_helper和kill_fasync会使用这个参数。

二应用层方面

1. 利用signal或者sigaction设置SIGIO信号的处理函数

2. fcntl的F_SETOWN指令设置当前进程为设备文件owner

3. fcntl的F_SETFL指令设置FASYNC标志

完成了以上的工作的话，当内核执行到kill_fasync函数，用户空间SIGIO函数的处理函数就会被调用了。

呵呵，看起来不是很复杂把，让我们结合具体代码看看就更明白了。

先从应用层代码开始吧：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define MAX_LEN 100

void input_handler(int num)

//处理函数，没什么好讲的，用户自己定义

{

　char data[MAX_LEN];

　int len;

　//读取并输出STDIN_FILENO上的输入

　len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);

　data[len] = 0;

　printf("input available:%s\n", data);

}
main()

{

　int oflags;
　//启动信号驱动机制

　signal(SIGIO, input_handler);

　fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());

　oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);

　fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);

　//最后进入一个死循环，程序什么都不干了，只有信号能激发input_handler的运行

　//如果程序中没有这个死循环，会立即执行完毕

　while (1);

}

再看驱动层代码，驱动层其他部分代码不变，就是增加了一个fasync方法的实现以及一些改动

static struct fasync_struct *fasync_queue;

static int my_fasync(int fd, struct file * filp, int on)

{

    intretval;

   retval=fasync_helper(fd,filp,on,&fasync_queue);



   if(retval<0)

     return retval;

    return0;

}

在驱动的release方法中我们再调用my_fasync方法

int my_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

       drm_fasync(-1, filp, 0);



}
这样后我们在需要的地方（比如中断）调用下面的代码,就会向fasync_queue队列里的设备发送SIGIO信号
，应用程序收到信号，执行处理程序

    if(fasync_queue)

     kill_fasync(&fasync_queue, SIGIO, POLL_IN);

好了，这下大家知道该怎么用异步通知机制了吧？
以下是几点说明[1]：

1 两个函数的原型

int fasync_helper(struct inode *inode, struct file *filp, int mode,struct fasync_struct **fa);

一个"帮忙者", 来实现 fasync 设备方法. mode 参数是传递给方法的相同的值, 而 fa指针指向一个设
备特定的 fasync_struct*
void kill_fasync(structfasync_struct *fa, int sig, int band);

如果这个驱动支持异步通知, 这个函数可用来发送一个信号到登记在 fa 中的进程.
2.

fasync_helper 被调用来从相关的进程列表中添加或去除入口项, 当 FASYNC标志因一个打开文件而改变
. 它的所有参数除了最后一个, 都被提供给 fasync方法并且被直接传递. 当数据到达时 kill_fasync
被用来通知相关的进程. 它的参数是被传递的信号(常常是SIGIO)和 band, 这几乎都是 POLL_IN[25](但
是这可用来发送"紧急"或者带外数据,在网络代码里).

这是 scullpipe 如何实现 fasync 方法的:
static int scull_p_fasync(intfd, struct file *filp, int mode)

{

struct scull_pipe *dev = filp->private_data;

return fasync_helper(fd, filp, mode,&dev->async_queue);

}
显然所有的工作都由 fasync_helper 进行. 但是,不可能实现这个功能在没有一个方法在驱动里的情况
下, 因为这个帮忙函数需要存取正确的指向 structfasync_struct (这里是与dev->async_queue)的指针,并且只有驱动可提供这个信息.
当数据到达, 下面的语句必须被执行来通知异步读者. 因为对sucllpipe 读者的新数据通过一个发出
write 的进程被产生, 这个语句出现在 scullpipe的 write 方法中.
if (dev->async_queue)

kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
注意, 一些设备还实现异步通知来指示当设备可被写入时;在这个情况, 当然, kill_fasnyc 必须被使用
一个 POLL_OUT 模式来调用.

1.上一节我们已经学习了用poll轮询数据，来避免不必要的休眠，但是事实上，轮询的直接负面作用就是效率低下，这样一节我们学习如何使用异步通知IO来提高效率

2. fcntl系统调用

int fcntl(int fd, int cmd, long arg);

fcntl的作用是改变一个已打开文件的属性，fd是要改变的文件的描述符，cmd是命令罗列如下：

F_DUPFD, F_GETFD, F_SETFD, F_GETFL, F_SETFL, F_SETLK, F_SETLKW,F_GETLK, F_GETOWN, F_SETOWN

本节只关心F_SETOWN（设置异步IO所有权），F_GETFL（获取文件flags），F_SETFL（设置文件flags）

arg是要改变的属性内容

3. 用户进程启用异步通知机制

首先，设置一个进程作为一个文件的属主(owner)，这样内核就知道该把文件的信号发送给哪个进程

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // getpid()就是当前进程咯

然后，给文件设置FASYNC标志，以启用异步通知机制

fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | FASYNC);

4. 缺陷

当有多个文件发送异步通知信号给一个进程时，进程无法知道是哪个文件发送的信号，这时候还是要借助poll的帮助完成IO

5. 从驱动程序的角度考虑

当文件的状态标志设置了FASYNC操作时，驱动程序会调用fasync的函数。

fasync的实现相当简单

static int scull_p_fasync(int fd, struct file *filp, intmode)

{

      struct scull_pipe *dev = filp->private_data;

      return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);

}

当有新的数据到达时，驱动程序应该发送一个SIGIO给用户，这个操作用kill_fasync方法完成

if(dev->async_queue)

        kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);

最后，从异步通知列表中移除注册进去了的文件指针就直接调用scull_p_fasync(-1, filp, 0);

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