04-支持阻塞操作的globalfifo设备驱动
8.1.2 支持阻塞操作的globalfifo设备驱动
现在我们给globalmem增加这样的约束：把globalmem中的全局内存变成一个FIFO，只有当FIFO中有数据的时候（即有进程把数据写到这个FIFO而且没有被读进程读空），读进程才能把数据读出，而且读取后的数据会从globalmem的全局内存中被拿掉；只有当FIFO非满时（即还有一些空间未被写，或写满后被读进程从这个FIFO中读出了数据），写进程才能往这个FIFO中写入数据。
现在，将globalmem重命名为“globalfifo”，在globalfifo中，读FIFO将唤醒写FIFO，而写FIFO也将唤醒读FIFO。首先，需要修改设备结构体，在其中增加两个等待队列头，分别对应于读和写，如代码清单8.7所示。
代码清单8.7 globalfifo设备结构体
1 struct globalfifo_dev {
2 struct cdev cdev; /cdev结构体/
3 unsigned int current_len; /fifo有效数据长度/
4 unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE]; /全局内存/
5 struct semaphore sem; /并发控制用的信号量/
6 wait_queue_head_t r_wait; /阻塞读用的等待队列头/
7 wait_queue_head_t w_wait; /阻塞写用的等待队列头/
8 };
与globalfifo设备结构体的另一个不同是增加了current_len成员用于表征目前FIFO中有效数据的长度。
这个等待队列需在设备驱动模块加载函数中调用init_waitqueue_head()被初始化，新的设备驱动模块加载函数如代码清单8.8所示。
代码清单8.8 globalfifo设备驱动模块加载函数
1 int globalfifo_init(void)
2 {
3 int ret;
4 dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);
5
6 / 申请设备号/
7 if (globalfifo_major)
8 ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
9 else { / 动态申请设备号 /
10 ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
11 globalfifo_major = MAJOR(devno);
12 }
13 if (ret < 0)
14 return ret;
15 / 动态申请设备结构体的内存/
16 globalfifo_devp = kmalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
17 if (!globalfifo_devp) { /申请失败/
18 ret = - ENOMEM;
19 goto fail_malloc;
20 }
21
22 memset(globalfifo_devp, 0, sizeof(struct globalfifo_dev));
23
24 globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);
25
26 init_MUTEX(&globalfifo_devp->sem); /初始化信号量/
27 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait); / 初始化读等待队列头 /
28 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait); / 初始化写等待队列头 /
29
30 return 0;
31
32 fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
33 return ret;
34 }
设备驱动读写操作需要被修改，在读函数中需增加等待globalfifo_devp->w_wait被唤醒的语句，而在写操作中唤醒globalfifo_devp->r_wait，如代码清单8.9所示。
代码清单8.9 增加等待队列后的globalfifo读写函数
1 /globalfifo读函数/
2 static ssize_t globalfifo_read(struct file filp, char __user buf, size_t
3 count, loff_t *ppos)
4 {
5 int ret;
6 struct globalfifo_dev dev = filp->private_data; / 获得设备结构体指针
7 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); /* 定义等待队列
8
9 down(&dev->sem); /* 获得信号量
10 add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /* 进入读等待队列头
11
12 / 等待FIFO非空 /
13 while (dev->current_len == 0) {
14 if (filp->f_flags &O_NONBLOCK) {
15 ret = - EAGAIN;
16 goto out;
17 }
18 _ _set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* 改变进程状态为睡眠
19 up(&dev->sem);
20
21 schedule(); /* 调度其他进程执行
22 if (signal_pending(current)) {/ 如果是因为信号唤醒 /
23 ret = - ERESTARTSYS;
24 goto out2;
25 }
26
27 down(&dev->sem);
28 }
29
30 / 拷贝到用户空间 /
31 if (count > dev->current_len)
32 count = dev->current_len;
33
34 if (copy_to_user(buf, dev->mem, count)) {
35 ret = - EFAULT;
36 goto out;
37 } else {
38 memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count); / fifo数据前移/
39 dev->current_len -= count; /* 有效数据长度减少
40 printk(KERN_INFO "read %d bytes(s),current_len:%d\n", count, dev
41 ->current_len);
42
43 wake_up_interruptible(&dev->w_wait); / 唤醒写等待队列 /
44
45 ret = count;
46 }
47 out: up(&dev->sem); /* 释放信号量
48 out2: remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); / 移除等待队列 /
49 set_current_state(TASK_RUNNING);
50 return ret;
51 }
52
53
54 /globalfifo写操作/
55 static ssize_t globalfifowrite(struct file *filp, const char _user *buf,
56 size_t count, loff_t *ppos)
57 {
58 struct globalfifo_dev dev = filp->private_data; / 获得设备结构体指针*/
59 int ret;
60 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); / 定义等待队列 /
61
62 down(&dev->sem); / 获取信号量/
63 add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); / 进入写等待队列头 /
64
65 / 等待FIFO非满 /
66 while (dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE) {
67 if (filp->f_flags &O_NONBLOCK) {
68 / 如果是非阻塞访问/
69 ret = - EAGAIN;
70 goto out;
71 }
72 _ _set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); / 改变进程状态为睡眠 /
73 up(&dev->sem);
74
75 schedule(); / 调度其他进程执行 /
76 if (signal_pending(current)) {
77 / 如果是因为信号唤醒/
78 ret = - ERESTARTSYS;
79 goto out2;
80 }
81
82 down(&dev->sem); / 获得信号量 /
83 }
84
85 /从用户空间拷贝到内核空间/
86 if (count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len)
87 count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;
88
89 if (copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)) {
90 ret = - EFAULT;
91 goto out;
92 } else {
93 dev->current_len += count;
94 printk(KERN_INFO "written %d bytes(s),current_len:%d\n", count, dev
95 ->current_len);
96
97 wake_up_interruptible(&dev->r_wait); / 唤醒读等待队列 /
98
99 ret = count;
100 }
101
102 out: up(&dev->sem); / 释放信号量 /
103 out2: remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait);
104 set_current_state(TASK_RUNNING);
105 return ret;
106 }
在代码清单8.9中，亲自掌管了等待队列进出和进程切换的过程，现在会有一个疑问，是否可以把读函数中一大段用于等待dev->current_len != 0的内容直接用wait_event_interruptible(dev-> r_wait, dev->current_len != 0)替换，把写函数中一大段用于等待dev->currentlen != GLOBALFIFO SIZE的代码用wait_event_interruptible(dev->w_wait, dev->current_len != 0)替换呢？
实际上，就控制等待队列非空和非满的角度而言，wait_event_interruptible(dev->r_wait, dev-> current_len != 0)和第13～28行代码的功能完全一样，wait_event_interruptible(dev->w_wait, dev->current_len != 0)和第66～83行代码的功能完全一样。细微的区别体现在第13～28行代码和第66～83行代码在进行schedule()即切换进程前，通过up(&dev->sem)释放了信号量。这一细微的动作意义重大，非如此，则死锁将不可避免。
如图8.1（a）所示，假设目前的FIFO为空即dev->current_len为0，此时如果有一个读进程，它会先获得信号量，因为条件不满足，它将因为wait_event_interruptible(dev->r_wait, dev-> current_len != 0)而阻塞，而释放dev->r_wait等待队列及让dev->current_len != 0的操作又需要在写进程中进行，写进程在执行写操作前又必须等待读进程释放信号量，造成互相等待对方资源的矛盾局面，从而死锁。
如图8.1（b）所示，假设目前的FIFO为满即dev->current_len为GLOBALFIFO_SIZE，此时如果有一个写进程，它先获得了信号量，因为条件不满足，它将因为wait_event_interruptible(dev-> w_wait, dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZE)而阻塞，而释放dev->w_wait等待队列及让dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZE的操作又需要在读进程中进行，读进程在执行读操作前又必须等待写进程释放信号量，造成互相等待对方资源的矛盾局面，从而死锁。
所谓死锁，就是多个进程循环等待它方占有的资源而无限期地僵持下去的局面。如果没有外力的作用，那么死锁涉及的各个进程都将永远处于封锁状态。因此，驱动工程师一定要注意：当多个等待队列、信号量等机制同时出现时，谨防死锁！
现在回过来了看一下代码清单8.9的第15行和75行，发现在设备驱动的read()、write()等功能函数中，可以通过filp->f_flags标志获得用户空间是否要求非阻塞访问。驱动中可以依据此标志判断用户究竟要求阻塞还是非阻塞访问，从而进行不同的处理。