Linux高级字符设备驱动 poll方法（select多路监控原理与实现）

1、什么是Poll方法,功能是什么?

2、Select系统调用(功能)
      Select系统调用用于多路监控,当没有一个文件满足要求时,select将阻塞调用进程。
      int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fe_set *exceptfds, const struct timeval *timeout)
     Select系统调用(参数)
     1）Maxfd:
           文件描述符的范围,比待检测的最大文件描述符大1
     2）Readfds:
           被读监控的文件描述符集
     3）Writefds:
           被写监控的文件描述符集
     4）Exceptfds:
           被异常监控的文件描述符集;
     5）Timeout:

           定时器，Timeout取不同的值,该调用有不同的表现:

          1>Timeout值为0,不管是否有文件满足要求,都立刻返回,无文件满足要求返回0,有文件满足要求返回一个正值。
          2>Timeout为NULL,select将阻塞进程,直到某个文件满足要求
          3>Timeout 值 为 正 整 数 , 就 是 等 待 的 最 长 时 间 , 即select在timeout时间内阻塞进程。
3、Select系统调用(返回值)
      Select调用返回时,返回值有如下情况:
      1）正常情况下返回满足要求的文件描述符个数;
      2）经过了timeout等待后仍无文件满足要求,返回值为0;
      3）如果select被某个信号中断,它将返回-1并设置errno为EINTR。
      4）如果出错,返回-1并设置相应的errno。
4、Select系统调用(使用方法)
      1）将要监控的文件添加到文件描述符集
      2）调用Select开始监控
      3）判断文件是否发生变化
        系统提供了4个宏对描述符集进行操作:
        #include <sys/select.h>
        void FD_SET(int fd, fd_set *fdset)
        void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)
        void FD_ZERO(fd_set *fdset)
        void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset)
        宏FD_SET将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中;
        宏FD_CLR从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd;
        宏FD_ZERO清空文件描述符集fdset;
        在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集fdset中的文件fd发生了变化。
        FD_ZERO(&fds); //清空集合
        FD_SET(fd1,&fds); //设置描述符
        FD_SET(fd2,&fds); //设置描述符
        maxfdp=fd1+1; //描述符最大值加1,假设fd1>fd2
        switch(select(maxfdp,&fds,NULL,NULL,&timeout))
                 case -1: exit(-1);break; //select错误,退出程序
                 case 0:break;
                default:
        if(FD_ISSET(fd1,&fds)) //测试fd1是否可读

5、poll方法

      应用程序常常使用select系统调用,它可能会阻塞进程。这个调用由驱动的 poll 方法实现,原型为:unsigned int (*poll)(struct file *filp,poll_table *wait)

      Poll设备方法负责完成:
      1）使用poll_wait将等待队列添加到poll_table中。
      2）返回描述设备是否可读或可写的掩码。
      位掩码
      1>POLLIN 设备可读
      2>POLLRDNORM数据可读
      3>POLLOUT设备可写
      4>POLLWRNORM数据可写
      设备可读通常返回(POLLIN|POLLRDNORM )
      设备可写通常返回(POLLOUT|POLLWRNORM )
6、范例

static unsigned int mem_poll(struct file *filp,poll_table *wait)
{

struct scull_pipe *dev =filp->private_data;
unsigned int mask =0;
/* 把等待队列添加到poll_table */
poll_wait(filp,&dev->inq,wait);
/*返回掩码*/
if (有数据可读)
mask = POLLIN |POLLRDNORM;/*设备可读*/
return mask;

}

7、工作原理
      Poll方法只是做一个登记,真正的阻塞发生在select.c 中的 do_select函数。

8、实例分析

      1）poll型设备驱动memdev.h源码

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif

/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev                                     
{                                                        
  char *data;                      
  unsigned long size; 

  wait_queue_head_t inq;  

};

#endif /* _MEMDEV_H_ */     

        2）Poll型设备驱动memdev.c源码

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/poll.h>
#include "memdev.h"

static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/

module_param(mem_major, int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/

struct cdev cdev; 

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;
    
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);

    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) 
            return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];
    
    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;
    
    return 0; 
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}

/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

  /*判断读位置是否有效*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;
    
  while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while */
  {
        if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
            return -EAGAIN;
    
    wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
  }

  /*读数据到用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
  {
    ret =  - EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
   
    printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d ", count, p);
  }
  
  have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
  /* 唤醒写进程 */
  return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
  
  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;

  /*从用户空间写入数据*/
  if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
    ret =  - EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
    
    printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d ", count, p);
  }
  
  have_data = true; /* 有新的数据可读 */
    
    /* 唤醒读进程 */
    wake_up(&(dev->inq));

  return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{ 
    loff_t newpos;

    switch(whence) {
      case 0: /* SEEK_SET */
        newpos = offset;
        break;

      case 1: /* SEEK_CUR */
        newpos = filp->f_pos + offset;
        break;

      case 2: /* SEEK_END */
        newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
        break;

      default: /* can't happen */
        return -EINVAL;
    }
    if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
        return -EINVAL;
        
    filp->f_pos = newpos;
    return newpos;

}
unsigned int mem_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
    struct mem_dev  *dev = filp->private_data; 
    unsigned int mask = 0;
    
   /*将等待队列添加到poll_table表中 */
    poll_wait(filp, &dev->inq,  wait);
 
    

    if (have_data)         

    mask |= POLLIN | POLLRDNORM;  /* readable */

    return mask;
}


/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .llseek = mem_llseek,
  .read = mem_read,
  .write = mem_write,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
  .poll = mem_poll,
};

/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  int result;
  int i;

  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);

  /* 静态申请设备号*/
  if (mem_major)
    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
  else  /* 动态分配设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    mem_major = MAJOR(devno);
  }  
  
  if (result < 0)
    return result;

  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  cdev.owner = THIS_MODULE;
  cdev.ops = &mem_fops;
  
  /* 注册字符设备 */
  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
   
  /* 为设备描述结构分配内存*/
  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
  if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
  
  /*为设备分配内存*/
  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) 
  {
        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
  
      /*初始化等待队列*/
     init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
     //init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].outq));
  }
   
  return 0;

  fail_malloc: 
  unregister_chrdev_region(devno, 1);
  
  return result;
}

/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);

module_exit(memdev_exit);

3）测试程序app-read.c源码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h> 
 
int main() 
{ 
    int fd; 
    fd_set rds;    //声明描述符集合
    int ret; 
    char Buf[128]; 
     
    /*初始化Buf*/ 
    strcpy(Buf,"memdev is char dev!"); 
    printf("BUF: %s ",Buf); 
     
    /*打开设备文件*/ 
    fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR); 
    
    FD_ZERO(&rds);   //清空描述符集合
    FD_SET(fd, &rds); //设置描述符集合
 
    /*清除Buf*/ 
    strcpy(Buf,"Buf is NULL!"); 
    printf("Read BUF1: %s ",Buf); 

    ret = select(fd + 1, &rds, NULL, NULL, NULL);//调用select（）监控函数
    if (ret < 0)  
    {
        printf("select error! ");
        exit(1);
    }
    if (FD_ISSET(fd, &rds))   //测试fd1是否可读  
        read(fd, Buf, sizeof(Buf));             
     
    /*检测结果*/ 
    printf("Read BUF2: %s ",Buf);
    
    close(fd); 
     
    return 0;     
}