linux poll 和 select

使用非阻塞 I/O 的应用程序常常使用 poll, select, 和 epoll 系统调用. poll, select 和 epoll 本质上有相同的功能: 每个允许一个进程来决定它是否可读或者写一个 或多个文件而不阻塞. 这些调用也可阻塞进程直到任何一个给定集合的文件描述符可用来 读或写. 因此, 它们常常用在必须使用多输入输出流的应用程序, 而不必粘连在它们任何 一个上. 相同的功能常常由多个函数提供, 因为 2 个是由不同的团队在几乎相同时间完 成的: select 在 BSD Unix 中引入, 而 poll 是 System V 的解决方案. epoll 调用[23]23 添加在 2.5.45, 作为使查询函数扩展到几千个文件描述符的方法.

支持任何一个这些调用都需要来自设备驱动的支持. 这个支持(对所有 3 个调用)由驱动 的 poll 方法调用. 这个方法由下列的原型:

unsigned int (*poll) (struct file *filp, poll_table *wait);

这个驱动方法被调用, 无论何时用户空间程序进行一个 poll, select, 或者 epoll 系统 调用, 涉及一个和驱动相关的文件描述符. 这个设备方法负责这 2 步:

• 1. 在一个或多个可指示查询状态变化的等待队列上调用 poll_wait. 如果没有文 件描述符可用作 I/O, 内核使这个进程在等待队列上等待所有的传递给系统调用的 文件描述符.
• 2. 返回一个位掩码, 描述可能不必阻塞就立刻进行的操作.

这 2 个操作常常是直接的, 并且趋向与各个驱动看起来类似. 但是, 它们依赖只能由驱 动提供的信息, 因此, 必须由每个驱动单独实现.

poll_table 结构, 给 poll 方法的第 2 个参数, 在内核中用来实现 poll, select, 和 epoll 调用; 它在 <linux/poll.h>中声明, 这个文件必须被驱动源码包含. 驱动编写者 不必要知道所有它内容并且必须作为一个不透明的对象使用它; 它被传递给驱动方法以便 驱动可用每个能唤醒进程的等待队列来加载它, 并且可改变 poll 操作状态. 驱动增加一 个等待队列到 poll_table 结构通过调用函数 poll_wait:

void poll_wait (struct file *, wait_queue_head_t *, poll_table *);

poll 方法的第 2 个任务是返回位掩码, 它描述哪个操作可马上被实现; 这也是直接的. 例如, 如果设备有数据可用, 一个读可能不必睡眠而完成; poll 方法应当指示这个时间 状态. 几个标志(通过 <linux/poll.h> 定义)用来指示可能的操作:

实际上, epoll 是一组 3 个调用, 都可用来获得查询功能. 但是, 由于我们的目的, 我们可认为它是一个调用.

POLLIN

如果设备可被不阻塞地读, 这个位必须设置.

POLLRDNORM

这个位必须设置, 如果"正常"数据可用来读. 一个可读的设备返回 ( POLLIN|POLLRDNORM ).

POLLRDBAND

这个位指示带外数据可用来从设备中读取. 当前只用在 Linux 内核的一个地方 ( DECnet 代码 )并且通常对设备驱动不可用.

POLLPRI

高优先级数据(带外)可不阻塞地读取. 这个位使 select 报告在文件上遇到一个异 常情况, 因为 selct 报告带外数据作为一个异常情况.

POLLHUP

当读这个设备的进程见到文件尾, 驱动必须设置 POLLUP(hang-up). 一个调用 select 的进程被告知设备是可读的, 如同 selcet 功能所规定的.

POLLERR

一个错误情况已在设备上发生. 当调用 poll, 设备被报告位可读可写, 因为读写 都返回一个错误码而不阻塞.

POLLOUT

这个位在返回值中设置, 如果设备可被写入而不阻塞.

POLLWRNORM

这个位和 POLLOUT 有相同的含义, 并且有时它确实是相同的数. 一个可写的设备 返回( POLLOUT|POLLWRNORM).

POLLWRBAND

如同 POLLRDBAND , 这个位意思是带有零优先级的数据可写入设备. 只有 poll 的 数据报实现使用这个位, 因为一个数据报看传送带外数据.

应当重复一下 POLLRDBAND 和 POLLWRBAND 仅仅对关联到 socket 的文件描述符有意义: 通常设备驱动不使用这些标志.

poll 的描述使用了大量在实际使用中相对简单的东西. 考虑 poll 方法的 scullpipe 实 现:

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

{

struct scull_pipe *dev = filp->private_data;
unsigned int mask = 0;

/*

*  The buffer is
circular; it is considered full

*  if "wp"
is right behind "rp" and empty if the

*  two are equal.

*/

down(&dev->sem);

poll_wait(filp,
&dev->inq, wait); poll_wait(filp, &dev->outq, wait); if
(dev->rp != dev->wp)

mask |=
POLLIN | POLLRDNORM;  /* readable */ if
(spacefree(dev))

mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;  /* writable */

up(&dev->sem); return mask;

}

这个代码简单地增加了 2
个 scullpipe 等待队列到 poll_table, 接着设置正确的掩码
位, 根据数据是否可以读或写.

所示的
poll 代码缺乏文件尾支持, 因为 scullpipe 不支持文件尾情况. 对大部分真实 的设备, poll 方法应当返回 POLLHUP 如果没有更多数据(或者将)可用.
如果调用者使用 select 系统调用, 文件被报告为可读. 不管是使用 poll 还是 select, 应用程序知道它 能够调用 read 而不必永远等待,
并且 read 方法返回 0 来指示文件尾.

例如, 对于 真正的 FIFO, 读者见到一个文件尾当所有的写者关闭文件, 而在 scullpipe 中读者永远见不到文件尾. 这个做法不同是因为 FIFO 是用作一个 2 个进程的通讯通道, 而 scullpipe 是一个垃圾桶,
人人都可以放数据只要至少有一个读者. 更多地, 重新实
现内核中已有的东西是没有意义的, 因此我们选择在我们的例子里实现一个不同的做法.

与 FIFO 相同的方式实现文件尾就意味着检查 dev->nwwriters, 在 read 和 poll 中, 并且报告文件尾(如刚刚描述过的)如果没有进程使设备写打开. 不幸的是,
使用这个实现 方法, 如果一个读者打开 scullpipe 设备在写者之前, 它可能见到文件尾而没有机会来 等待数据. 解决这个问题的最好的方式是在 open 中实现阻塞, 如同真正的
FIFO 所做的; 这个任务留作读者的一个练习.