深入浅出：Linux设备驱动之异步通知和异步I/O

原文出处： 时光漫步LH

在设备驱动中使用异步通知可以使得对设备的访问可进行时，由驱动主动通知应用程序进行访问。因此，使用无阻塞I/O的应用程序无需轮询设备是否可访问，而阻塞访问也可以被类似“中断”的异步通知所取代。异步通知类似于硬件上的“中断”概念，比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。

1、异步通知的概念和作用

影响：阻塞–应用程序无需轮询设备是否可以访问

非阻塞–中断进行通知

即：由驱动发起，主动通知应用程序

2、linux异步通知编程

2.1 linux信号

作用：linux系统中，异步通知使用信号来实现

函数原型为：

C

1	void (*signal(int signum,void (*handler))(int)))(int)

原型比较难理解可以分解为C

1 2 3

typedef void(*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);

第一个参数是指定信号的值，第二个参数是指定针对前面信号的处理函数

2.2 信号的处理函数（在应用程序端捕获信号）

signal()函数

例子：

C

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//启动信号机制 void sigterm_handler(int sigo){ char data[MAX_LEN];int len;len = read(STDIN_FILENO,&data,MAX_LEN);data[len] = 0;printf("Input available:%s\n",data);exit(0); } int main(void){ int oflags;//启动信号驱动机制 signal(SIGIO,sigterm_handler);fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid());oflags = fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);fctcl(STDIN_FILENO,F_SETFL,oflags | FASYNC);//建立一个死循环，防止程序结束 whlie(1); return 0; }

2.3 信号的释放 (在设备驱动端释放信号)为了是设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及以下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为对应的进程ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。（2）、支持F_SETFL命令处理，每当FASYNC标志改变时，驱动函数中的fasync()函数得以执行。因此，驱动中应该实现fasync()函数（3）、在设备资源中可获得，调用kill_fasync（）函数激发相应的信号设备驱动中异步通知编程：（1）、fasync_struct加入设备结构体模板中（2）、两个函数处理FASYNC标志的两个函数： int fasync_helper(int fd,struct file *filp,int mode,struct fasync_struct **fa);释放信号的函数： void kill_fasync(struct fasync_struct **fa,int sig,int band);和其他结构体指针放到设备结构体中，模板如下C

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struct xxx_dev{ struct cdev cdev; ... struct fasync_struct *async_queue;//异步结构体指针 };

2.4 在设备驱动中的fasync()函数中，只需简单地将该函数的3个参数以及fasync_struct结构体指针的指针作为第四个参数传入fasync_helper()函数就可以了，模板如下

C

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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);}

2.5 在设备资源可获得时应该调用kill_fasync()函数释放SIGIO信号，可读时第三个参数为POLL_IN，可写时第三个参数为POLL_OUT，模板如下C

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static ssize_t xxx_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos) { struct xxx_dev *dev = filp->private_data; ... if(dev->async_queue) kill_fasync(&dev->async_queue,GIGIO,POLL_IN); ... }

2.6 最后在文件关闭时，要将文件从异步通知列表中删除

C

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int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp) {xxx_fasync(-1,filp,0); ...return 0; }

3、linux2.6异步I/O
同步I/O：linux系统中最常用的输入输出（I/O）模型是同步I/O，在这个模型中，当请求发出后，应用程序就会阻塞，知道请求满足异步I/O：I/O请求可能需要与其它进程产生交叠Linux 系统中最常用的输入/输出（I/O）模型是同步 I/O。在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足为止。这是很好的一种解决方案，因为调用应用程序在等待 I/O 请求完成时不需要使用任何中央处理单元（CPU）。但是在某
些情况下，I/O 请求可能需要与其他进程产生交叠。可移植操作系统接口（POSIX）异步 I/O（AIO）应用程序接口（API）就提供了这种功能4.1、AIO系列API：aio_read–异步读aio_read 函数的原型如下：C

1	int aio_read( struct aiocb *aiocbp );

aio_read()函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为−1，并设置 errno 的值。

aio_write–异步写

aio_write()函数用来请求一个异步写操作，其函数原型如下：

C

1	int aio_write( struct aiocb *aiocbp );

aio_write()函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为−1，并相应地设置 errno。aio_error–确定请求的状态aio_error 函数被用来确定请求的状态，其原型如下：C

1	int aio_error( struct aiocb *aiocbp );

这个函数可以返回以下内容。

EINPROGRESS：说明请求尚未完成。

ECANCELLED：说明请求被应用程序取消了。

-1：说明发生了错误，具体错误原因由 errno 记录。

aio_return–获得异步操作的返回值

异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是不能立即访问这个函数的返回状态，因为并没有阻塞在 read()调用上。在标准的 read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用 aio_return()函数。这个函数的原型如下：

C

1	ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );

只有在 aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return()的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为−1）。aio_suspend–挂起异步操作，知道异步请求完成为止aio_suspend()函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend()返回。aio_suspend 的函数原型如下：C

1	int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout );

aio_cancel–取消异步请求

aio_cancel()函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：

C

1	int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );

如果要取消一个请求，用户需提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回AIO_NOTCANCELED。 如果要取消对某个给定文件描述符的所有请求，用户需要提供这个文件的描述符以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回AIO_CANCELED ；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回AIO_ALLDONE。然后，可以使用 aio_error()来验证每个 AIO 请求，如果某请求已经被取消了，那么 aio_error()就会返回−1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。 lio_listio–同时发起多个传输（一次系统调用可以启动大量的I/O操作）lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。lio_listio API 函数的原型如下：C

1	int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );

mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent 定义的。如果 list 的元素为 NULL，lio_listio()会将其忽略。

3.2、使用信号作为AIO的通知

信号作为异步通知的机制在AIO中依然使用，为了使用信号，使用AIO的应用程序同样需要定义信号处理程序，在指定的信号被触发时，调用这个处理程序，作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供给信号处理函数用来区分 AIO 请求。 下面代码清单给出了使用信号作为 AIO 异步 I/O 通知机制的例子。

C

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1 /*设置异步 I/O 请求*/2 void setup_io(...) 3 { 4 int fd; 5 struct sigaction sig_act; 6 struct aiocb my_aiocb; 7 ... 8 /* 设置信号处理函数 */9 sigemptyset(&sig_act.sa_mask); 10 sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO; 11 sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler; 12 13 /* 设置 AIO 请求 */14 bzero((char*) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb)); 15 my_aiocb.aio_fildes = fd; 16 my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE + 1); 17 my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; 18 my_aiocb.aio_offset = next_offset; 19 20 /* 连接 AIO 请求和信号处理函数 */21 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; 22 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO; 23 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; 24 25 /* 将信号与信号处理函数绑定 */26 ret = sigaction(SIGIO, &sig_act, NULL); 27 ... 28 ret = aio_read(&my_aiocb); /*发出异步读请求*/29 } 30 31 /*信号处理函数*/32 void aio_completion_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context) 33 { 34 struct aiocb *req; 35 36 /* 确定是我们需要的信号*/37 if (info->si_signo == SIGIO) 38 { 39 req = (struct aiocb*)info->si_value.sival_ptr; /*获得 aiocb*/40 41 /* 请求的操作完成了吗? */42 if (aio_error(req) == 0) 43 { 44 /* 请求的操作完成，获取返回值 */45 ret = aio_return(req); 46 } 47 } 48 return ; 49 }

3.3 使用回调函数作为AIO的通知

代码清单给出了使用回调函数作为 AIO 异步 I/O 请求完成的通知机制的例子C

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1 /*设置异步 I/O 请求*/ 2 void setup_io(...) 3 { 4 int fd; 5 struct aiocb my_aiocb; 6 ... 7 /* 设置 AIO 请求 */ 8 bzero((char*) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb)); 9 my_aiocb.aio_fildes = fd; 10 my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE + 1); 11 my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; 12 my_aiocb.aio_offset = next_offset; 13 14 /* 连接 AIO 请求和线程回调函数 */ 15 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD; 16 my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler; 17 /*设置回调函数*/ 18 my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL; 19 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; 20 ... ret = aio_read(&my_aiocb); //发起 AIO 请求 21 } 22 23 /* 异步 I/O 完成回调函数 */ 24 void aio_completion_handler(sigval_t sigval) 25 { 26 struct aiocb *req; 27 req = (struct aiocb*)sigval.sival_ptr; 28 29 /* AIO 请求完成? */ 30 if (aio_error(req) == 0) 31 { 32 /* 请求完成，获得返回值 */ 33 ret = aio_return(req); 34 } 35 36 return ; 37 }

3.4 AIO与设备驱动

在内核中，每个I/O请求都对应一个kiocb结构体，其ki_filp成员只想对应的file指针，通过is_sync_kiocb判断某kiocb是否为同步I/O请求，如果是返回真，表示为异步I/O请求。

块设备和网络设备：本身是异步的

字符设备：必须明确应支持AIO（极少数是异步I/O操作）

字符设备驱动程序中file_operations 包含 3 个与 AIO 相关的成员函数，如下所示：

C

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ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count, loff_t offset); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count, loff_t offset); int (*aio_fsync) (struct kiocb *iocb, int datasync);

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