Linux设备驱动：理解阻塞与非阻塞操作及其wait_queue应用

本文将深入探讨Linux设备驱动编程中的阻塞与非阻塞操作，这两个概念在处理设备I/O请求时至关重要。在Linux系统中，设备驱动程序设计时通常会考虑这两种模式，以确保高效地管理系统资源和提高应用程序的并发性能。 首先，我们理解什么是阻塞操作。当一个进程尝试执行设备操作，例如读写磁盘或网络设备，但资源当前不可用时，它会进入挂起状态，也就是进入睡眠（Sleep）状态，从而暂时从处理器的调度队列中移除，直至所需资源变得可用。这种情况下，进程不会浪费CPU时间，而是让出执行权，等待外部事件的发生。通过内核中的等待队列（wait queue），可以有效地协调这些进程之间的依赖关系，如信号量就是其典型应用。 在Linux设备驱动中，例如一个名为`globalvar`的共享数据结构，它允许多个进程同时访问，但只有当数据被写入后，其他进程才能读取。为了实现这种同步，我们使用了`semaphore`（信号量）来控制访问权限。`sem`结构体确保每次只有一个进程可以写入，其他进程在写操作未完成前必须等待。同时，利用`wait_queue_head_t`定义的`outq`等待队列，写入操作完成后，会通过唤醒（wake_up）函数将等待的读取进程从队列中唤醒，使它们恢复执行。 接下来是关键部分的代码示例： ```c #include <linux/module.h> #include <linux/init.h> #include <linux/fs.h> #include <asm/uaccess.h> #include <linux/wait.h> #include <asm/semaphore.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define MAJOR_NUM 254 static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t *); static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); static struct file_operations globalvar_fops = { .read = globalvar_read, .write = globalvar_write, }; static int global_var = 0; static struct semaphore sem; static wait_queue_head_t outq; static int flag = 0; static int __init globalvar_init(void) { int ret; ret = semaphore_create(&sem, 1); // 创建信号量，初始值为1，表示只允许一个进程写入 // ... 其他初始化操作 ... } ``` 在这个例子中，`__initglobalvar_init()`函数中创建了信号量`sem`，设置其初始值为1，意味着只有第一个进程能获取写权限。当进程试图写入数据时，`globalvar_write`函数会尝试获取这个信号量。如果信号量被占用（即`sem`值为0），则进程会被阻塞并加入到`outq`等待队列，直到有其他进程释放信号量。 当写操作完成且信号量变为1时，会调用`sem_post(&sem)`来释放信号量，唤醒`outq`上的等待进程。这些进程接收到信号后，会从睡眠状态恢复，并继续执行读取操作。 总结来说，Linux设备驱动编程中的阻塞与非阻塞操作是通过内核提供的机制来协调进程间对设备资源的访问，确保数据的一致性和并发控制。理解并熟练运用这些技术对于编写高效的设备驱动程序至关重要。