Linux驱动基础：阻塞、休眠、poll、异步通知

休眠/唤醒、poll、异步通知、阻塞/非阻塞

I 休眠与唤醒

1.基本概念

• 休眠：指进程或线程暂时停止执行的过程；进程主动放弃 CPU 使用权，等待特定事件后再恢复运行。​
• 唤醒：与休眠相对，是将休眠的进程或线程从停止执行状态恢复到正常运行状态的过程；唤醒通常由外部事件如硬件中断、其他进程的通知触发。
• 意义：休眠/唤醒机制允许在等待资源或事件时释放CPU，提高系统资源利用率；通过同步机制确保数据一致性，避免竞态条件。

2.休眠分类

• 可中断休眠（TASK_INTERRUPTIBLE）：在休眠过程中可被信号打断，唤醒后会处理信号并重新判断等待条件。​
• 不可中断休眠（TASK_UNINTERRUPTIBLE）：在休眠过程中不会被信号打断，仅能通过特定事件唤醒，常用于必须等待关键操作完成的场景。

3.休眠唤醒流程

以app读取按键数据为例：

• APP调用read等函数试图读取按键数据；
• APP进入内核态，调用驱动中对应函数，发现有数据则复制到用户空间并马上返回；
• 如果APP在内核态，也就是在驱动程序中发现没有数据，则驱动调用 wait_event_interruptible 等函数将当前进程（APP对应的内核线程）置为休眠状态（TASK_INTERRUPTIBLE），等待按键被按下
• 当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒 APP；
• APP继续运行它的内核态代码，也就是驱动程序中的函数，复制数据到用户空间并马上返回继续执行app剩余内容

4.休眠函数

• wait_event_interruptible(wq, condition)

  休眠，直到 condition 为真；休眠期间是可被打断的，可以被信号打断=
  
  

• wait_event(wq, condition)
  休眠，直到 condition 为真；退出的唯一条件是 condition 为真，信号也不能唤醒
  
  

• wait_event_interruptible_timeout(wq,condition, timeout)
  休眠，直到 condition 为真或超时；休眠期间是可被打断的，可以被信号打断
  
  

• wait_event_timeout(wq, condition,timeout)
  休眠，直到condition为真；退出的唯一条件是condition为真，信号也不能唤醒
  
  

• 参数wq： waitqueue，等待队列；参数condition：等待条件，可以是一个变量，也可以是任何表达式

5.唤醒函数

• wake_up_interruptible(x)
  唤醒 x 队列中状态为“ TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
  
  
• wake_up_interruptible_nr(x, nr)
  唤醒 x 队列中状态为“ TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的 nr 个线程
  
  
• wake_up_interruptible_all(x)
  唤醒 x 队列中状态为“ TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程
  
  
• wake_up(x)
  唤 醒 x 队 列 中 状 态 为 “ TASK_INTERRUPTIBLE ” 或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
  
  
• wake_up_nr(x, nr) 唤 醒 x 队 列 中 状 态 为 “ TASK_INTERRUPTIBLE ” 或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中 nr 个线程
  
  
• wake_up_all(x) 唤 醒 x 队 列 中 状 态 为 “ TASK_INTERRUPTIBLE ” 或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程

6.在驱动中进行休眠和唤醒

以app调用read读取按键为例：

• 初始化等待队列

  static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);
  

• 在驱动read函数中将休眠等待

  wait_event_interruptible(gpio_key_wait, key_event)
  

• 在中断服务函数中唤醒等待

  wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
  

• 示例：

  static int key_event;
  static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);static irqreturn_t gpio_key_irq_handler(int irq, void* dev_id){struct gpio_key *key_get = dev_id;int value = gpio_get_value(key_get->gpio);if (value < 0) {printk(KERN_ERR "[%s] Failed to get GPIO value for key %d, error: %d\n",__func__, key_get->gpio, value);return IRQ_HANDLED;}/*upper 8 bits is whic gpio_key, lower 8 bits is the value of gpio_key status*/key_event = (gpio_key_info->gpio << 8) | value;wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);return IRQ_HANDLED;
  }ssize_t gpio_key_driver_read(struct file *fd, char __user *buf, size_t size, loff_t *lof){if (wait_event_interruptible(gpio_key_wait, key_event))return -ERESTARTSYS;int err = copy_to_user(buf, &key_event, sizeof(key_event));if (err) {printk(KERN_ERR "[%s] Failed to copy key event to user space, error: %d\n", __func__, err);return -EFAULT;}key_event = 0;return sizeof(key_event);
  }static struct file_operations gpio_key_ops = {.owner   = THIS_MODULE,.read    = gpio_key_driver_read,
  };
  

II poll

1.基本概念

• 与休眠类似，poll机制在读取数据时首先调用poll查询数据是否就绪，如果没有就先休眠一段时间，在这段时间内若数据就绪则唤醒进程，调用read读取数据并继续下文，若超过设定时间数据仍未就绪则直接返回

2.poll工作流程

• 以app读取按键为例：
  • app调用poll()系统调用，传入待监控的按键文件描述符
  • 内核检查每个文件描述符的当前状态
  • 若无就绪描述符，将进程挂起等待按键就绪或直到超时
  • 返回就绪描述符数量及对应事件，若就绪则app调用read读取数据

2.相关函数

• 用户空间：

  int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
  

• 内核空间：驱动程序中实现poll对应的函数

3.在应用和驱动中使用poll

• 驱动程序

  static unsigned int gpio_key_driver_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *table){printk(KERN_INFO "[%s]:called\n!",__func__);poll_wait(file,&gpio_key_wait, table);return key_event ? POLLIN : 0;
  }static struct file_operations gpio_key_ops = {.owner   = THIS_MODULE,.poll    = gpio_key_driver_poll,
  };
  

• 应用程序

  struct pollfd fds = {.fd     = fdf,.events = POLLIN, };while(1){int ret = poll(&fds, 1, timeout);if(ret == 1 && (fds.revents & POLLIN)){read(fdf, &event, sizeof(event));button = (event >> 8) & 0xff; value = (event) & 0xff;printf("[%s]:button event : butto %u value %u\n",argv[0], (unsigned int)button, (unsigned int)(value));}elseprintf("[%s]time out\n",argv[0]);}
  

III 异步通知

1.基本概念

• 异步通知：一种通知机制，允许驱动程序在数据就绪时主动通知应用程序，而不需要应用程序轮询或阻塞等待
• 信号驱动I/O：应用程序预先注册信号处理函数，当特定事件发生时内核发送信号通知应用程序处理
• 意义：减少CPU轮询开销，提高系统响应效率，适用于低延迟场景

2.工作流程

• 应用程序注册信号处理函数并设置文件描述符的异步通知属性
• 驱动程序实现fasync接口，在数据就绪时发送信号
• 内核向应用程序发送SIGIO信号
• 应用程序的信号处理函数被调用，执行读取等操作

3.在应用和驱动中使用异步通知

• 驱动程序

  static irqreturn_t gpio_key_irq_handler(int irq, void* dev_id){struct gpio_key *key_get = dev_id;int value = gpio_get_value(key_get->gpio);if (value < 0) {printk(KERN_ERR "[%s] Failed to get GPIO value for key %d, error: %d\n",__func__, key_get->gpio, value);return IRQ_HANDLED;}//printk(KERN_INFO "[%s]key %d interrupt, the value is %d\n", __func__,//                 key_get->gpio, value);/*upper 8 bits is whic gpio_key, lower 8 bits is the value of gpio_key status*/key_event = (gpio_key_info->gpio << 8) | value;kill_fasync(&gpio_key_fasync, SIGIO, POLLIN);return IRQ_HANDLED;
  }ssize_t gpio_key_driver_read(struct file *fd, char __user *buf, size_t size, loff_t *lof){int err = copy_to_user(buf, &key_event, sizeof(key_event));if (err) {printk(KERN_ERR "[%s] Failed to copy key event to user space, error: %d\n", __func__, err);return -EFAULT;}key_event = 0;return sizeof(key_event);
  }static int gpio_key_driver_fasync(int fd, struct file *file, int on){int ret = fasync_helper(fd, file, on, &gpio_key_fasync);if(ret >= 0)return 0;elsereturn -EIO;
  }static struct file_operations gpio_key_ops = {.owner   = THIS_MODULE,.read    = gpio_key_driver_read,.fasync  = gpio_key_driver_fasync,
  };
  

• 应用程序

  static int fd, event;
  static uint8_t button, value;static void signal_handler(int sig){read(fd, &event, sizeof(event));button = (event >> 8) & 0xff; value = (event) & 0xff;printf("[%s]:button event : butto %u value %u\n",__func__, (unsigned int)button, (unsigned int)(value));
  }int main(int argc, char *argv[]){if(argc != 2){printf("[%s]:Usage:%s <file>\n", argv[0], argv[1]);return -1;}signal(SIGIO, signal_handler);fd = open(argv[1], O_RDWR);if(fd < 0){perror("open");return -1;}fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());int flags = fcntl(fd, F_GETFL);fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);while(1){sleep(10);printf("[%s] funciton calld\n", argv[0]);}close(fd);return 0;
  }
  

IV 阻塞与非阻塞

1.基本概念

• 阻塞I/O：当进程执行 I/O 操作（如read、write）时，若资源未就绪（如无数据可读、缓冲区满），进程会进入休眠状态（TASK_INTERRUPTIBLE 或TASK_UNINTERRUPTIBLE），释放 CPU，直到 I/O 操作完成或超时才被唤醒。​
  ​
• 非阻塞I/O：当进程执行 I/O 操作时，若资源未就绪，操作会立即返回错误，并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK，进程不会休眠，可继续执行其他任务。​

2.给fd设置阻塞模式

    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);// 设置为非阻塞模式fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 恢复为阻塞模式fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
作完成或超时才被唤醒。​
​
- **非阻塞I/O**：当进程执行 I/O 操作时，若资源未就绪，操作会立即返回错误，并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK，进程不会休眠，可继续执行其他任务。​#### 2.给fd设置阻塞模式```cint flags = fcntl(fd, F_GETFL);// 设置为非阻塞模式fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 恢复为阻塞模式fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);