• 利用select/poll监听多个设备详解


    如果一个应用程序去处理多个设备,例如应用程序读取网路数据,按键,串口,一般能想到的有三种方法:

    方法1:
    串行+阻塞的方式读取:
    while(1) { 
    read(标准输入);
    read(网络);
    }
    缺点:每当阻塞读取标准输入时,如果用户不进行标准输入的操作,而此时客户端给服务器发送数据,导致服务器无法读取客户端发送来的数据!


    方法2:
    采用多线程或者多进程机制来实现读取:
    开辟多个线程,每一个线程处理一个设备,不会导致的数据的无法读取,但是系统的开销相比方法1要大!


    方案3:采用linux系统提供的高级IO的处理机制
    select/poll:两者一样,主进程能够利用select或者poll能够对多个设备进行监听!

    其原理好像:方法1相当于有一个保安,看十户房子,如果小偷进来从第十户开始偷,保安却从第一户挨个检查,没有小偷确还在第一家等着。
                方法2相当于雇了十个保安,开销大
          方法3相当于买了10套监控设备,一个保安看监控录像,有情况报警

    ************************************************************************************

    select函数原型:
    int select(int nfds, 
    fd_set *readfds, 
    fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds, 
    struct timeval *timeout);
    函数功能:
    主进程利用此函数能够对多个设备进行监听,一旦发现监听的设备都不可用(不可读、也不可写、也没有异常),那么主进程进入休眠状态,一旦监听的设备中,只要有一个设备可用(可读或者可写或者有异常)都会唤醒休眠的主进程,select也就会返回。


    注意这个函数仅仅起到一个监听的功能,数据的后续处理,例如读写都是通过read,write,ioctl来进行!


    参数说明:
    nfds:
    对设备的访问永远先open获取fd;
    监听的设备中,最大的文件描述符fd+1;
    数据类型fd_set:文件描述符集合,用来保存描述监听的设备,里面存放是被监听设备的文件描述符;如果select要监听某一个设备,必须把这个设备的fd添加到对应的文件描述符集合中!


    readfds:读文件描述符集合指针,如果select要监听设备是否可读,需将设备的fd添加到这个集合中!


    writefds:写文件描述符集合指针,如果select要监听设备是否可写,需将设备的fd添加到这个集合中!


    exceptfds:异常文件描述符集合指针,如果select要监听设备是否有异常,需将设备的fd添加到这个集合中!


    注意:一个设备的fd可以同时添加到三个集合中!


    timeout:指定监听的超时时间,如果此参数指定了一个时间,例如5秒钟,select发现设备不可用,主进程进入休眠状态,如果5秒之内设备还不可用,5秒到期,主进程主动唤醒;如果此参数指定为NULL,休眠为永久休眠!


    返回值:有三种
    如果等于0:表明是超时;
    如果小于0:表明系统出错;
    如果大于0:表明设备可用(至少是一个设备,或者全部);


    文件描述符集合操作的方法:
    fd_set rfds; //定义读文件描述符集合


    //从集合中解除对fd设备的监听
    void FD_CLR(int fd, fd_set *set);


    //判断是否是设备fd引起的主进程的唤醒,如果是返回true,否则返回false
    int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);


    //添加一个新的被监听的设备
    void FD_SET(int fd, fd_set *set);


    //清空文件描述符集合
    void FD_ZERO(fd_set *set);


    注意:如果要重复监听,需要再次清空集合和添加监听设备!


    ***********************************************************************************

    以上是应用程序层面上的函数调用

    其在内核层面上:

    在sys_select中做休眠,poll不引起休眠
    select系统调用过程:
    1.应用程序调用select,首先调用C库的select函数实现;


    2.C库的select保存select系统调用号到R7寄存器中,调用SVC(新的
    )或者SWI(老的)触发软中断,至此由用户空间陷入内核空间,ARM
    的工作模式由用户模式转变为SVC管理模式;


    3.跳转到内核准备好的异常向量表的入口地址,根据R7保存的系统调
    用号,以它为索引在系统调用表中找到对应的实现函数sys_select

    4.sys_select要完成:
       1.把被监听的设备对应驱动程序的poll函数挨个调用一遍,
    被监听的设备都不可用时,它们的驱动的poll函数都返回0;
       2.判断是否是驱动主动唤醒,还是超时唤醒,还是接收到信号唤醒;
       3.如果即没有驱动主动唤醒,也没有超时唤醒,没有接收到信号,
    sys_select调用poll_schedule_timeout主动让进程进入休眠;
       4.假设被监听的设备中,有一个设备可用(可读或者可写或者异常
    ,硬件通过中断来判断),都会唤醒休眠的主进程;
       5.sys_select的poll_schedule_timeout函数返回,不再休眠
       6.再次把被监听的设备驱动的poll函数挨个调用一遍,此时可用
    的设备对应的驱动poll函数会返回非0;
       7.if (ret || time_out || ...) //ret = 1,立即返回到用户空
    间,返回值为ret值


    总结:
    1.明确本来应该底层驱动的poll函数利用等待队列机制让进程休眠,
    但是等待队列休眠9步骤并不都是驱动的poll来编写,有一部分是有内
    核sys_select来实现;


    2.驱动poll函数完成如下内容即可:
         1.调用poll_wait,将当前进程添加到驱动定义的等待队列头中
         2.根据设备是否可用,决定返回0还是非0

    3.明确:监听机制,底层poll函数不是必须的,如果要监听设备还可
    以使用多线程机制也能够完成监听;但是如果要使用select/poll监
    听设备,驱动必须有poll实现!

    下图是sys_select的简单实现:

     

    通过对内核代码的分析,真正的休眠实现是在内核中实现的

    poll_schedule_timeout函数中的schedule_hrtimeout_range中的schedule_hrtimeout_range_clock函数实现的

    并不是在poll函数中实现的

     poll(轮询)操作在应用程序中用于同时阻塞在多个文件上,当其中任何一个文件有应用程序所等待的事件(可读、可写、出错等)时,poll返回相应的掩码通知应用程序,使得应用程序知道应该对哪个文件做何种操作。按照我的理解,poll的本质可以这样解释:休眠等待多个指定文件中的任何一个发生特定的事件,并将被该文件唤醒;醒来后轮询所有相关文件(通过再次调用所有文件对应驱动的poll方法),获取所有被监控文件的事件信息返回给应用程序。

         从这里就可以看出:

    (1)其中等待队列的使用是必不可少的。实际上调用poll的进程将会休眠在多个等待队列(一般所有被监控文件的都有至少一个的等待队列)上,从其中任何一个队列上唤醒该进程,都可能使poll函数返回。

    (2)驱动中的poll方法不实现休眠,而是:

    1. i、把当前进程添加到相应的等待队列中(仅在休眠时执行,唤醒时不会执行此功能)。
    2. ii、返回文件当前的状态掩码(告知是否有事件发生,休眠和唤醒都会执行)。

          通过对内核源码、《深入Linux设备驱动程序内核机制》的学习,我对Poll系统调用和内核驱动的poll方法的关系和结构有了整体且深入的了解,基本搞清了poll系统调用的执行脉络。对于poll系统调用的内核原理,请大家先看《深入Linux设备驱动程序内核机制》那本书写的比较详细了,我不废话了。以后我会把我自己觉得需要注意的地方写出来。这里我把这个关系和数据结构图绘制了出来,请大家指正:

     


    对于等待队列的情况,我用下面一个例子和图来示意一下:

    例如有3个进程:

    task-1:使用poll检测文件1~3

    task-2:使用poll检测文件2~3

    task-3:使用poll检测文件3

    则等待队列的情况如下:
     
     
    之后,假设task-2由于文件2或3被唤醒,且task-1/3对此不感兴趣(未设置该掩码),那么等待队列的情况如下:
     
     
     
        等待队列入口项的添加和删除主要是由poll_initwait(&table);和poll_freewait(&table);完成。
        poll_initwait(&table);完成初始化struct poll_wqueues table的工作,而poll_freewait(&table);负责清理这个结构体。这里需要注意的是等待队列中的wait_queue_t并不是在唤醒函数pollwake从队列中删除的,而是最后由poll_freewait(&table);集中处理的。而唤醒函数和普通的wait_event的唤醒函数有很大不同,请大家对比上面的图和之前我写的《对Linux系统休眠的理解》中的图。
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