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Linux异步通知 fasync

jjt二向箔 2022-03-17 阅读 56

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)
{
    int retval;
   retval=fasync_helper(fd,filp,on,&fasync_queue);
   if(retval<0)
     return retval;
    return 0;
}


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(struct fasync_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(int fd, 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 struct fasync_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, int mode)

{
      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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