Linux驱动学习笔记：IO多路复用

什么是IO多路复用

简单来说，就是解决能够同时操作多个设备的方法，及时处理多个设备的数据。

具体的，是指单线程或单进程同时监测若干个文件描述符是否可以执行IO操作的能力。

IO多路复用的三种方法

Linux的IO多路复用有三种方法：select、poll、epoll，且这三种方法都是 系统调用 。

这里介绍嵌入式中常用的两种select和poll。

select

相关接口

/* According to POSIX.1-2001, POSIX.1-2008 */
    #include < sys/select.h >

    /* According to earlier standards */
    #include < sys/time.h >
    #include < sys/types.h >
    #include < unistd.h >

    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

    int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
                const sigset_t *sigmask);

    
    int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
    void FD_SET(int fd, fd_set *set);
 void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
    void FD_ZERO(fd_set *set);

select把要监视的文件描述符分成三类：readfds、writefds、exceptfds`。

readfds是需要进行读操作的文件描述符，writefds是需要进行写操作的文件描述符，exceptfds是需要进行异常处理的文件描述符。对于不需要监听的，填NULL即可。

第一次对n个文件进行select()的时候，若任何一个文件满足要求，select()就直接返回；第2次再进行select()的时候，没有文件满足读写要求，select()的进程阻塞且睡眠。示意图如下：

fd_set是文件描述符组，需要通过FD_XX系列的函数来操作。例如：

FD_ZERO：清空文件描述符组

fd_set writefds;
FD_ZERO(&writefds)

FD_SET：添加一个文件描述符到组中

FD_CLR：删除一个组中的文件描述符

FD_SET(fd, &writefds);//将fd加进组中
FD_CLR(fd, &writefds);//将fd从组中删除

FD_ISSET：检测一个文件描述符是否在组中，我们用这个来检测一次select调用之后有哪些文件描述符可以进行IO操作

if (FD_ISSET(fd, &readfds)){
  /* fd可读 */
}

poll

#include < poll.h >
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；

poll()函数也是一个 系统调用 ，可实现类似select()的效果。与select()不同的是，select将要监听的文件描述符分为读、写、异常三种，而poll则使用一个文件描述符集struct pollfd fds[]来管理。

struct pollfd用来描述一个需要监听的文件描述符，传参时传入struct pollfd类型数组fds。

参数说明

参数	说明
fds	一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的文件描述符集；
nfds	用于标记数组fds中的结构体元素的总数量
timeout	阻塞的时间，单位：毫秒；如果timeout==0，那么poll() 函数立即返回而不阻塞，如果设置为负数，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的文件描述符上的感兴趣的事件发生是才返回。

返回值 ：

• 0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些文件描述符的总数量

• ==0：代表poll超时
• -1：代表poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno

struct pollfd结构体

struct pollfd{
    int fd; /*文件描述符*/
    short events; /* 等待的需要测试事件 */
    short revents; /* 实际发生了的事件，也就是返回结果 */
}

events和revents事件值 ：

常量	说明
POLLIN	普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM	普通数据可读
POLLRDBAND	优先级带数据可读
POLLPRI	高优先级数据可读
POLLOUT	普通数据可写
POLLWRNORM	普通数据可写
POLLWRBAND	优先级带数据可写
POLLERR	发生错误
POLLHUP	发生挂起
POLLNVAL	描述字不是一个打开的文件

poll系统调用过程

poll系统调用在内核中的入口函数是sys_poll()，sys_poll()的系统调用关系如下：

关键点是在vfs_poll()函数：

//include/linux/poll.h

static inline __poll_t vfs_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *pt)
{
 if (unlikely(!file- >f_op- >poll))
  return DEFAULT_POLLMASK;
 return file- >f_op- >poll(file, pt);//调用到驱动中的poll函数
}

file->f_op->poll(file,pt)会调用到驱动中的poll函数.

驱动中poll机制实现

驱动中只需要实现struct file_operations结构体里的poll函数，代码如下：

static unsigned int my_poll(struct file *fp, struct poll_table_struct *wait)
{
 unsigned int mask = 0;
    poll_wait(fp, &btn_waitq, wait);//将驱动中的等待队列btn_waitq添加进等待队列表table中
    if(ev_press)
         mask |= POLLIN|POLLRDNORM;
 return mask;
}

static struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    ......
    .poll = my_poll,
};

应用程序调用poll()时，内核中会调用每个设备驱动中的poll函数，这些底层函数都会调用poll_wait()将本设备驱动中的等待队列添加到一个等待队列表中（table）

如果监控设备没有事件发生，在调用完所有要监控设备驱动的poll函数后，进程会休眠（table）

如果任何一个监控的设备有事件发生，内核中的poll又会重新带调用每个设备驱动中的poll方法。看看有多少个设备有事件发生，然后才返回到应用层。