Linux设备驱动中的异步通知与异步I/O

异步通知概念: 异步通知的意识是，一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上的“中断”概念，比较准确的称谓是“信号驱动的异步IO”，信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求是一样的。信号是异步的，一个进进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

异步通知与设备访问： 阻塞IO意味着一直等待设备可访问后访问；非阻塞IO使用poll意味着查询设备是否可以访问；而异步通知则意味着设备通知自身可访问，实现了异步I/O。

 用kill -l 命令可以查看Linux可用的信号
信号的接收
          signal()函数来设置对应信号的处理函数。
       void (*signal(int signum,void(*handler))(int)))(int);
  //第一个参数指定信号的值；第二个参数指定针对前面信号值的处理函数，若位SIN_IGN,表示忽略该信号；若位SIG_DFL,表示采用系统默认方式处理信号；若位用户自定义
   函数，则信号被捕获到后，该函数将被执行
  //该函数原型比较难理解，可以分解为：typedef void(*sighandler_t)(int);  sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler));
 如果signal调用成功，它返回最后一次信号signum绑定的处理函数handler值，失败则返回SIG_ERR.
          sigaction()函数可用于改变进程接收到特定信号后的行为。
      int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));
  //该函数的第一个参数是信号的值，可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号；第二个参数是指向结构体sigaction的一个实例的指针，在sigaction的实例中
指定了对特定信号的处理函数，若为空，则进程会以缺省方式对信号处理；第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理函数，可指定oldact为NULL.
 如果把第二和第三个参数都设为NULL，那么该函数用来检测信号的有效性。
 使用信号实现异步通知的应用程序实例：
      #include <sys/types.h>
      #include <sys/stat.h>
      #include <stdio.h>
      #include <fcntl.h>
      #include <signal.h>
      #include <unistd.h>
      #define MAX_LEN 100
      void input handler(int num)
      {
        char data[MAX_LEN];
        int len;
        len=read(STDIN_FILENO,&data,MAX_LEN);  //读取并输出STDIN_FILENO上的输入。
        data[len]=0;
        printf("input available:%s\n",data);
      }
      main()
      {
        int oflags;
        //启动信号驱动机制
        signal(SIGIO,input_handler);  //为SIGIO信号安装input_handler()作为处理函数
        fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid());//这里的getpid()是获得当前进程，注意，没有这一步，内核不知道应该将信号发给哪个进程。

在 Linux 中，实现文件上锁的函数有lock和fcntl，其中flock用于对文件施加建议性锁,而fcntl不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。同时，fcntl还能对文件的某一记录进行上锁，也就是记录锁。

记录锁又可分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁。而写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分上建立写入锁。当然，在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。

注意:

fcntl是一个非常通用的函数，它还可以改变文件进程各方面的属性，在本节中，主要介绍它建立记录锁的方法，关于它其他用户感兴趣的读者可以参看fcntl手册。

oflags=fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL); //为了启动一步通知机制，还需对设备设置FASYNC标志

fcntl(STDIN_FILENO,F_SETFL,oflags|FASYNC);

//最后进入一个死循环，仅为保持进程不终止，如果程序中没有死循环会立即执行完毕

while(1);

}

 信号释放:

在设备驱动程序与应用程序的异步通知交互中，应用程序捕获信号，驱动程序释放信号。

为了使设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及3项工作。

（1）支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应进程ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无需处理。

    （2）支持F_SETFL命令的处理，每当FASYNC标志改变时，驱动程序中的fasync()函数将得以执行。因此，驱动中应该实现fasync()函数。

    （3）在设备资源可获得时，调用kill_fasync()函数激发相应的信号。

异步通知处理过程中用户空间和设备驱动的交互。

异步通知变成主要用到一项数据结构和两个函数。数据结构是fasync_struct结构体，两个函数是fasync_helper,kill_fasync。

int fasync_helper(int fd,struct file *filp,int mode,struct fasync_struct **fa);  //处理FASYNC标志变更

void kill_fasync(struct fasync_struct **fa,int sig,int band);  //释放信号

支持异步通知的设备结构体模板

struct xxx_dev{

struct cdev cdev;  //cdev结构体

...

struct fasync_struct *async_queue;          //异步结构体指针

};

支持异步通知的设备驱动fasync（）函数模板

static int xxx_fasync(int fd,struct file *filp,int mode)

{

struct xxx_dev *dev=filp->private_data;

return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);

}

在设备资源可以获得时，应该调用kill_fasync()释放SIGIO信号，可读时第三个参数设置为POLL_IN,可写时第三个参数设置为POLL_OUT.

支持异步通知的设备驱动信号释放范例：

static ssize_t xxx_write(struct file *filp,const char_user *buf,size_t count,loff_t *f_pos)

{

struct xx_dev *dev=filp->private_data;

...

//产生异步读信号

if(dev->async_queue)

kill_fasync(&dev->async_queue,SIGIO,POLL_IN);

...

}

最后在关闭文件时候，即在release函数中，应该将文件从异步通知的列表中删除。

static int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp)

{

//将文件从异步通知列表中删除

xxx_fasync(-1,filp,0);

...

return 0;

}