12.1 简介
异步通知fasync应用于系统调用signal和sigaction函数，简单的说，signal函数就是让一个信号与与一个函数对应，每当接收到这个信号就会调用相应的函数。
那么什么是异步通知？
异步通知类似于中断的机制，当设备可操作时，设备驱动函数发送一个信号给内核，告知内核有数据可操作,在条件不满足之前，并不会造成阻塞。而不像之前学的阻塞型IO和poll，它们是调用函数进去检查，条件不满足时还会造成阻塞。
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。
12.2 应用层信号捕获
12.2.1 函数接口
查看帮助：man signal
#include <signal.h> typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); |
函数原型 | sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); |
函数功能 | 将一个给定的函数和一个特定的信号关联 |
函数参数 | signum：我们要进行处理的信号。系统的信号我们可以再终端键入 kill -l查看(共64个)。其实这些信号时系统定义的宏。 handler：设置处理信号的回调函数，和中断服务函数类似 使用范例：signal(SIGIO, mysignal); |
函数返回值 | 函数指针 |
函数头文件 | #include <signal.h> |
12.2.2 信号捕获框架示例
#include <stdio.h> #include <signal.h> /*信号处理相关的头文件*/ /*1.2 信号处理函数*/ void sighandler_app(int sem) { 就是捕获到的信号值 printf("捕获的信号: %d\n",sem); } int main(int argv,char*argc[]) { 信号绑定*/ signal(SIGINT,sighandler_app); while(1) { sleep(10); ............................................................................................................... } } |
12.2.3 信号发送示例
(1) 终端命令发送信号
命令行kill发送信号的方式：
方式1 ：kill -s 信号名 进程PID号
方式2 ：kill -信号名 进程PID号
键盘上信号发送的快捷键：
ctrl + \ 程序终止信号-信号代码3
ctrl + c 程序终止信号-信号代码2
(2) 代码方式发送信号(system函数)
使用system函数调用终端的shell命令！
查看帮助信息：man system
#include <stdlib.h> int system(const char *command); |
通过代码方式发送信号示例：
system(“kill -s 信号名 进程PID号”); |
(3) 调用kill函数发送信号
查看帮助：
[root@xiaolong 2016-5-3]# man 1 kill [root@xiaolong 2016-5-3]# man 2 kill |
上面的数字编号就是表示查看哪一页的帮助信息！
kill函数原型：
#include <sys/types.h> #include <signal.h> int kill(pid_t pid, int sig); |
字符串转整数函数API函数原型：
#include <stdlib.h> int atoi(const char *nptr); long atol(const char *nptr); |
C代码方式发送信号示例：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <signal.h> int main(int argc,char **argv) { int pid; int signal; if(argc!=3) { printf("传参数格式:.app Signal信号 PID号 \n"); return -1; } 将字符串转为整型返回 pid=atoi(argv[2]);将字符串转为整型返回 发送信号 return 0; } |
12.2.4 信号说明列表
$ kill -l 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1 11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM 16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP 21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ 26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR 31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3 38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8 43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13 48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12 53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7 58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2 63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX |
列表中，编号为 1 ~ 31 的信号为传统 UNIX 支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为32 ~ 63 的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)。不可靠信号和可靠信号的区别在于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。
下面我们对编号小于 SIGRTMIN 的信号进行讨论。
1) SIGHUP
本信号在用户终端连接(正常或非正常)结束时发出, 通常是在终端的控制进程结束时, 通知同一 session 内的各个作业, 这时它们与控制终端不再关联。
登录 Linux 时，系统会分配给登录用户一个终端(Session)。在这个终端运行的所有程序，包括前台进程组和后台进程组，一般都属于这个 Session。当用户退出 Linux 登录时，前台进程组和后台有对终端输出的进程将会收到 SIGHUP 信号。
这个信号的默认操作为终止进程，因此前台进程组和后台有终端输出的进程就会中止。不过可以捕获这个信号，比如 wget 能捕获 SIGHUP 信号，并忽略它，这样就算退出了 Linux 登录，wget 也 能继续下载。此外，对于与终端脱离关系的守护进程，这个信号用于通知它重新读取配置文件。
2) SIGINT
程序终止(interrupt)信号, 在用户键入 INTR 字符(通常是 Ctrl-C)时发出，用于通知前台进
程组终止进程。
3) SIGQUIT和 SIGINT 类似, 但由 QUIT 字符(通常是 Ctrl-\)来控制. 进程在因收到 SIGQUIT 退出时会产生 core 文件, 在这个意义上类似于一个程序错误信号。
4) SIGILL
执行了非法指令. 通常是因为可执行文件本身出现错误, 或者试图执行数据段. 堆栈溢出时也有可能产生这个信号。
5) SIGTRAP
由断点指令或其它 trap 指令产生. 由 debugger 使用。
6) SIGABRT
调用 abort 函数生成的信号。
7) SIGBUS
非法地址, 包括内存地址对齐(alignment)出错。比如访问一个四个字长的整数, 但其地址不是 4 的倍数。它与 SIGSEGV 的区别在于后者是由于对合法存储地址的非法访问触发的(如访问不属于自己存储空间或只读存储空间)。
8) SIGFPE
在发生致命的算术运算错误时发出. 不仅包括浮点运算错误, 还包括溢出及除数为 0 等其它所有的算术的错误。
9) SIGKILL
用来立即结束程序的运行. 本信号不能被阻塞、处理和忽略。如果管理员发现某个进程终止不了，可尝试发送这个信号。
10) SIGUSR1留给用户使用
11) SIGSEGV
试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据.
12) SIGUSR2
留给用户使用
13) SIGPIPE
管道破裂。这个信号通常在进程间通信产生，比如采用 FIFO(管道)通信的两个进程，读管道没打开或者意外终止就往管道写，写进程会收到 SIGPIPE 信号。此外用 Socket 通信的两个进程，写进程在写 Socket 的时候，读进程已经终止。
14) SIGALRM
时钟定时信号, 计算的是实际的时间或时钟时间. alarm 函数使用该信号.
15) SIGTERM
程序结束(terminate)信号, 与 SIGKILL 不同的是该信号可以被阻塞和处理。通常用来要求程序自己正常退出，shell 命令 kill 缺省产生这个信号。如果进程终止不了，我们才会尝试SIGKILL。
17) SIGCHLD
子进程结束时, 父进程会收到这个信号。如果父进程没有处理这个信号，也没有等待(wait)子进程，子进程虽然终止，但是还会在内核进程表中占有表项，这时的子进程称为僵尸进程。这种情况我们应该避免(父进程或者忽略 SIGCHILD 信号，或者捕捉它，或者 wait 它派生的子进程，或者父进程先终止，这时子进程的终止自动由 init 进程来接管)。
18) SIGCONT
让一个停止(stopped)的进程继续执行. 本信号不能被阻塞. 可以用一个 handler 来让程序在由 stopped 状态变为继续执行时完成特定的工作. 例如, 重新显示提示符...
19) SIGSTOP
停止(stopped)进程的执行. 注意它和 terminate 以及 interrupt 的区别:该进程还未结束,只是暂停执行. 本信号不能被阻塞, 处理或忽略.
20) SIGTSTP
停止进程的运行, 但该信号可以被处理和忽略. 用户键入 SUSP 字符时(通常是 Ctrl-Z)发出这个信号
21) SIGTTIN
当后台作业要从用户终端读数据时, 该作业中的所有进程会收到 SIGTTIN 信号. 缺省时这些进程会停止执行.
22) SIGTTOU
类似于 SIGTTIN, 但在写终端(或修改终端模式)时收到.
23) SIGURG
有"紧急"数据或 out-of-band 数据到达 socket 时产生.
24) SIGXCPU
超过 CPU 时间资源限制. 这个限制可以由 getrlimit/setrlimit 来读取/改变。
25) SIGXFSZ
当进程企图扩大文件以至于超过文件大小资源限制。
26) SIGVTALRM
虚拟时钟信号. 类似于 SIGALRM, 但是计算的是该进程占用的 CPU 时间.
27) SIGPROF
类似于 SIGALRM/SIGVTALRM, 但包括该进程用的 CPU 时间以及系统调用的时间.
28) SIGWINCH
窗口大小改变时发出.
29) SIGIO
文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作.
30) SIGPWR
Power failure
31) SIGSYS
非法的系统调用。
在以上列出的信号中，程序不可捕获、阻塞或忽略的信号有：SIGKILL,SIGSTOP，不能恢复至默认动作的信号有：SIGILL,SIGTRAP
- 默认会导致进程流产的信号有：SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ
- 默认会导致进程退出的信号有：SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,SIGVTALRM
- 默认会导致进程停止的信号有：SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU
- 默认进程忽略的信号有：SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH
此外，SIGIO 在 SVR4 是退出，在 4.3BSD 中是忽略；SIGCONT 在进程挂起时是继续，否则是忽略，不能被阻塞
12.3 应用层异步通知功能设置
用户程序必须执行 2 个步骤来使能设备文件的异步通知功能。 首先, 需要指定一个进程作为设备文件的拥有者. 当一个进程使用 fcntl 系统调用发出 F_SETOWN 命令时, 可以将这个进程PID保存在 filp->f_owner 成员里，留着以后使用。 这一步是让内核知道发送信号时该通知谁。
为了真正使能异步通知, 用户程序必须给设备文件设置 FASYNC 标志, 可以通过fcntl函数中的F_SETFL命令。
在这 2 个调用已被执行后, 如果驱动端有数据需要处理， 设备文件(驱动端)可以向进程递交一个 SIGIO 信号,
信号发送后存储在 filp->f_owner 成员中指定的进程(或者进程组)里.
示例步骤：使能异步的通知功能
fp = open(argv[1],2); signal(SIGIO, mysignal); fcntl(fp,F_SETOWN,getpid()); f_flags = fcntl(fp,F_GETFL); fcntl(fp,F_SETFL,f_flags|FASYNC); |
说明：FASYNC与O_ASYNC标志都表示是异步IO标志。在不同的系统里表示不一样。
12.4 驱动层异步通知接口
12.4.1 驱动端操作步骤
对我们来说一个需要关注的主题是设备驱动如何实现异步信号。
下面列出了详细的操作顺序：
当应用层发出 F_SETOWN命令时， 除了一个值被赋值给 filp->f_owner，不会产生其他效果。
当应用层发出F_SETFL命令时，会设置设备驱动的FASYNC标志，这时驱动层的 fasync 方法函数会导致被调用。
当驱动数据需要处理时, 可以向所注册异步通知的进程发出一个 SIGIO 信号。
驱动端需要调用的2个函数对应下面的原型:
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp); |
fasync_helper函数被用来从相关的进程列表中添加或去除入口项。
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band); |
当数据到达时可以使用kill_fasync函数发送信号来通知相关的进程。（一般在中断处理函数里调用）
参数：
- band参数一般都是填： POLL_IN 。表示驱动端有数据可读！
可以填写的选项：
#define POLL_IN (__SI_POLL|1) /* 可用的数据输入 */
#define POLL_OUT (__SI_POLL|2) 输出缓冲区可用 */
#define POLL_MSG (__SI_POLL|3) 输入消息可用 */
#define POLL_ERR (__SI_POLL|4) /* i/o error */
#define POLL_PRI (__SI_POLL|5) 高优先级输入可用 */
#define POLL_HUP (__SI_POLL|6) 设备断开连接 */
- int sig ：向应用层发送的信号。(kill -l查看)
默认情况下，设备发送的信号时29，SIGIO信号，如果想换成其他信号，可以通过F_SETSIG命令进行。
printf("fcntl=%d\n",fcntl(fd,F_SETSIG,2)); //设置成功返回0. |
注意: 不能设置系统预定义之外的信号。
正常情况下，程序里加入F_SETSIG宏，编译器时无法编译过的。
需要加上参数: -D_GNU_SOURCE
arm-linux-gcc scanf_app.c -o app -D_GNU_SOURCE
12.4.2 驱动异步通知代码框架
static struct fasync_struct * myfasync; //定义一个异步通知二维指针结构体 //实现文件操作集合的函数 int xxxx_fasync (int fd, struct file * filp, int on) { /*添加异步通知的入口选项*/ fasync_helper(fd,filp,on,&myfasync); return 0; } //中断处理函数 static void interrupu_fun(void) { 发送信号 } //release函数 static int key_release (struct inode *inode , struct file *filp) { xxxx_fasync(-1, filp, 0) ; //设备释放时，需要将文件从异步通知列表中删除 return 0; } |
- 发送的信号值分析：
注意：kill_fasync函数中填的信号值没有作用，真正发送的信号由以下结构体定义：
或者在应用层通过fcntl(fd,10,SIGBUS);函数告诉驱动应该发送什么信号。这里的10就是F_SETSIG宏，只是有些编译识别不到F_SETSIG这个宏，只有直接写10。SIGBUS表示将要给驱动设置的信号。设置以后，驱动里调用kill_fasync函数将会固定发送SIGBUS信号。
12.5 分析异步通知函数的调用流程
相关路径：\fs\fcntl.c
应用层的fcntl函数会调用驱动层的do_fcntl函数。
do_fcntl函数的原型如下：
/*系统调用函数--*/ static long do_fcntl(int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg, struct file *filp) { long err = -EINVAL; switch (cmd) { case F_DUPFD: case F_DUPFD_CLOEXEC: if (arg >= rlimit(RLIMIT_NOFILE)) break; err = alloc_fd(arg, cmd == F_DUPFD_CLOEXEC ? O_CLOEXEC : 0); if (err >= 0) { get_file(filp); fd_install(err, filp); } break; case F_GETFD: //获取PID号 err = get_close_on_exec(fd) ? FD_CLOEXEC : 0; break; case F_SETFD: err = 0; set_close_on_exec(fd, arg & FD_CLOEXEC); break; case F_GETFL:获取文件标志 err = filp->f_flags; break; case F_SETFL: err = setfl(fd, filp, arg); break; case F_GETLK: err = fcntl_getlk(filp, (struct flock __user *) arg); break; case F_SETLK: case F_SETLKW: err = fcntl_setlk(fd, filp, cmd, (struct flock __user *) arg); break; case F_GETOWN: err = f_getown(filp); force_successful_syscall_return(); break; case F_SETOWN: //设置OWN err = f_setown(filp, arg, 1); break; case F_GETOWN_EX: err = f_getown_ex(filp, arg); break; case F_SETOWN_EX: err = f_setown_ex(filp, arg); break; case F_GETSIG: err = filp->f_owner.signum; break; case F_SETSIG: /* arg == 0 restores default behaviour. */ if (!valid_signal(arg)) { break; } err = 0; filp->f_owner.signum = arg; break; case F_GETLEASE: err = fcntl_getlease(filp); break; case F_SETLEASE: err = fcntl_setlease(fd, filp, arg); break; case F_NOTIFY: err = fcntl_dirnotify(fd, filp, arg); break; case F_SETPIPE_SZ: case F_GETPIPE_SZ: err = pipe_fcntl(filp, cmd, arg); break; default: break; } return err; } |
该函数内部主要是一个switch接口，根据传入的命令判断主要做什么工作！
12.6 异步通知示例代码
下面代码通过按键驱动程序演示异步IO操作方法。
12.6.1 应用层代码示例
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <sys/select.h> #include <sys/time.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <sys/epoll.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> int fd; /*信号处理程序*/ void sighandler(int num) { int data; read(fd,&data,4); //读取按键值 printf("data=0x%X\n",data); } int main(int argc,char **argv) { int f_flags; if(argc!=2) { printf("传参格式:./app <设备文件的名称>\n"); } fd=open(argv[1],O_RDWR); if(fd<0) { printf("%s 驱动打开失败!\n",argv[1]); return 0; } /*1. 绑定应用层将要捕获的信号*/ signal(SIGIO,sighandler); /*2. 设置驱动文件描述符支持异步通知功能*/ fcntl(fd,F_SETOWN,getpid()); //传递当前进程的PID给驱动文件描述符 f_flags = fcntl(fd,F_GETFL); //获取当前文件描述符的属性 fcntl(fd,F_SETFL,f_flags|FASYNC);//设置当前驱动支持异步IO属性 while(1) { } close(fd); return 0; } |
12.6.2 驱动层代码示例
#include <linux/kernel.h> //内核头文件 #include <linux/module.h> //模块 #include <linux/fs.h> #include <linux/gpio.h> #include <mach/gpio.h> #include <plat/gpio-cfg.h> #include <linux/irq.h> #include <linux/interrupt.h> #include <linux/miscdevice.h> #include <linux/uaccess.h> #include <linux/wait.h> /*等待队列头文件*/ #include <linux/sched.h> #include <linux/poll.h> #include <linux/signal.h> static int key_val=0; static struct fasync_struct *fapp; static int key_open(struct inode *my_inode, struct file *my_file) { printk("key_open调用成功!\n"); return 0; } static ssize_t key_read(struct file *my_file, char __user *buff, size_t cnt, loff_t *loff) { unsigned long stat=copy_to_user(buff,&key_val,4); /*向应用层传递数据*/ return 0; } static ssize_t key_write(struct file *my_file, const char __user *buff, size_t cnt, loff_t *loff) { printk("key_write调用成功!\n"); return 0; } static int key_release(struct inode *my_inode, struct file *my_file) { /*2. 卸载异步通知*/ fasync_helper(0,my_file,0,&fapp); printk("key_release调用成功!\n"); return 0; } static int key_fasync(int fd, struct file *file, int on) { /*1. 处理异步通知的信号,添加到处理列表*/ return fasync_helper(fd,file,on,&fapp); } static struct file_operations fileops= /*文件操作接口*/ { .open=key_open, .read=key_read, .write=key_write, .release=key_release, .fasync=key_fasync, }; static struct miscdevice misc= { .minor=MISC_DYNAMIC_MINOR, /*自动分配次设备号*/ .name="key_drv", .fops=&fileops, }; static struct KEY_INFO { char *irq_name; int gpio_num; int key_val; int key_irq; /*中断号*/ }; static struct KEY_INFO key_info[4]= { {"kry_irq_1",EXYNOS4_GPX3(2),0x1}, {"kry_irq_2",EXYNOS4_GPX3(3),0x2}, {"kry_irq_3",EXYNOS4_GPX3(4),0x3}, {"kry_irq_4",EXYNOS4_GPX3(5),0x4}, }; /*按键的中断服务函数*/ irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *dev) { struct KEY_INFO *p=(struct KEY_INFO *)dev; if(gpio_get_value(p->gpio_num)==0) { key_val=0x80|p->key_val; } else { key_val=0x80; } /*2. 向应用层发送信号*/ kill_fasync(&fapp,SIGIO,POLL_IN); return IRQ_HANDLED; } static int __init tiny4412_hello_module_init(void) { int i; for(i=0;i<4;i++) { /*获取中断编号*/ key_info[i].key_irq=gpio_to_irq(key_info[i].gpio_num); /*中断的注册函数*/ if(request_irq(key_info[i].key_irq,key_irq_handler,IRQ_TYPE_EDGE_BOTH,key_info[i].irq_name,&key_info[i])!=0) { printk("%s 中断注册失败!\n",key_info[i].irq_name); } else { printk("%s 中断注册成功\n",key_info[i].irq_name); } } misc_register(&misc); //注册函数 return 0; } static void __exit tiny4412_hello_module_cleanup(void) { /*中断的注销*/ int i; for(i=0;i<4;i++) { free_irq(key_info[i].key_irq,&key_info[i]); } 中断注销成功!\n"); misc_deregister(&misc); //注销函数 } module_init(tiny4412_hello_module_init); //驱动的入口,驱动安装的时候调用 module_exit(tiny4412_hello_module_cleanup); //驱动的的出口,驱动卸载的时候调用 MODULE_LICENSE("GPL"); //驱动的许可证声 |
