Linux驱动程序：理解阻塞与非阻塞操作及wait queue实现

"设备驱动中的阻塞与非阻塞操作是操作系统中关键的概念，特别是在Linux驱动程序开发中。阻塞操作是指当进程试图执行一个无法立即完成的操作，如等待某个设备完成I/O操作时，进程会暂停执行，进入睡眠状态，直到条件满足才会被唤醒继续执行。而非阻塞操作则不会导致进程挂起，即使设备未准备好，进程也会立即返回，不会等待。这种机制使得系统资源得以更有效地利用。 在Linux内核中，等待队列（wait queue）是实现阻塞操作的重要工具。等待队列是一种基于队列的数据结构，它与进程调度紧密相关，允许内核跟踪那些因为等待特定事件而被挂起的进程。当条件满足时，通过调用唤醒函数，如`wake_up`或`wake_up_interruptible`，可以将等待队列上的进程唤醒，使其重新进入就绪状态，参与调度。 等待队列的API包括： 1. `wait_event(queue, condition)`：等待`condition`变为真，如果没有中断，进程会一直睡眠。 2. `wait_event_interruptible(queue, condition)`：与`wait_event`类似，但允许被信号中断。 3. `wait_event_timeout(queue, condition, timeout)`：在`timeout`超时前等待`condition`变为真，超时后返回。 4. `wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)`：同上，但支持被信号中断。 为了更好地理解这些概念，我们可以通过一个例子来说明。假设有一个全局变量`globalvar`，它可以被多个进程同时打开。但每次只有一个进程可以写入数据，写入后其他进程才能读取。这可以通过在读取操作前检查`globalvar`的状态，如果未准备好，则调用等待队列API进行阻塞等待。在写入操作完成后，使用唤醒函数通知等待的进程条件已满足，它们可以继续执行。 以下是一个简化的示例代码片段，展示了如何在驱动程序中使用等待队列： ```c #include <linux/module.h> #include <linux/init.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/wait.h> #include <linux/sched.h> #include <asm/uaccess.h> #include <asm/semaphore> wait_queue_head_t globalvar_wait; int device_open(struct inode *inode, struct file *file) { // ... } ssize_t device_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { if (!condition) { // 检查条件是否满足 wait_event_interruptible(globalvar_wait, condition); // 阻塞等待 } // 读取数据 // ... return len; } ssize_t device_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { // 写入数据 // ... condition = true; // 更新条件为满足 wake_up_interruptible(&globalvar_wait); // 唤醒等待的进程 return count; } // ... ``` 在这个例子中，`device_read`在条件不满足时会调用`wait_event_interruptible`阻塞当前进程，直到`device_write`更新条件并唤醒等待队列。这样，多个进程就可以安全地共享和访问`globalvar`，确保数据的一致性。 总结来说，设备驱动中的阻塞与非阻塞操作是控制进程执行流程的关键手段，而等待队列是Linux内核实现这种控制的核心机制。通过理解和熟练运用这些概念，开发者可以编写出高效、线程安全的设备驱动程序，确保系统资源的有效管理和调度。"