按键驱动：异步通知机制

一、相关函数说明

signal函数

signum是传递给它的唯一参数。执行了signal()调用后，进程只要接收到类型为signum的信号，不管其正在执行程序的哪一部分，就立即执行handler()函数。当handler()函数执行结束后，控制权返回进程被中断的那一点继续执行。

函数原型：

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void (*signal(int signum,void(* handler)(int)))(int);
//或者：
typedef void (*sig_t)( int );
sig_t signal(int signum,sig_t handler);

参数说明：

  • signum：所要处理的信号类型，它可以取除了SIGKILL和SIGSTOP外的任何一种信号。

  • handler：与信号关联的动作，它可以取以下三种值：

    • 一个无返回值的函数地址

      此函数必须在signal()被调用前申明，handler中为这个函数的名字。当接收到一个类型为signum的信号时，就执行handler 所指定的函数。这个函数应有如下形式的定义：

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      void func(int sig);

    • SIG_IGN

      这个符号表示忽略该信号，执行了相应的signal()调用后，进程会忽略类型为sig的信号。

    • SIG_DFL

      这个符号表示恢复系统对信号的默认处理。

**返回值：**返回先前的信号处理函数指针，如果有错误则返回SIG_ERR(-1)。

函数说明：

signal()会依参数signum 指定的信号编号来设置该信号的处理函数。当指定的信号到达时就会跳转到参数handler指定的函数执行。当一个信号的信号处理函数执行时，如果进程又接收到了该信号，该信号会自动被储存而不会中断信号处理函数的执行，直到信号处理函数执行完毕再重新调用相应的处理函数。但是如果在信号处理函数执行时进程收到了其它类型的信号，该函数的执行就会被中断。

下面的情况可以产生Signal：

  1. 按下CTRL+C产生SIGINT
  2. 硬件中断，如除0，非法内存访问（SIGSEV）等等
  3. Kill函数可以对进程发送Signal
  4. Kill命令。实际上是对Kill函数的一个包装
  5. 软件中断。如当Alarm Clock超时（SIGURG），当Reader中止之后又向管道写数据（SIGPIPE），等等

相关的信号：

Signal Description
SIGABRT 由调用abort函数产生，进程非正常退出
SIGALRM 用alarm函数设置的timer超时或setitimer函数设置的interval timer超时
SIGBUS 某种特定的硬件异常，通常由内存访问引起
SIGCANCEL 由Solaris Thread Library内部使用，通常不会使用
SIGCHLD 进程Terminate或Stop的时候，SIGCHLD会发送给它的父进程。缺省情况下该Signal会被忽略
SIGCONT 当被stop的进程恢复运行的时候，自动发送
SIGEMT 和实现相关的硬件异常
SIGFPE 数学相关的异常，如被0除，浮点溢出，等等
SIGFREEZE Solaris专用，Hiberate或者Suspended时候发送
SIGHUP 发送给具有Terminal的Controlling Process，当terminal被disconnect时候发送
SIGILL 非法指令异常
SIGINFO BSD signal。由Status Key产生，通常是CTRL+T。发送给所有Foreground Group的进程
SIGINT 由Interrupt Key产生，通常是CTRL+C或者DELETE。发送给所有ForeGround Group的进程
SIGIO 异步IO事件
SIGIOT 实现相关的硬件异常，一般对应SIGABRT
SIGKILL 无法处理和忽略。中止某个进程
SIGLWP 由Solaris Thread Libray内部使用
SIGPIPE 在reader中止之后写Pipe的时候发送
SIGPOLL 当某个事件发送给Pollable Device的时候发送
SIGPROF Setitimer指定的Profiling Interval Timer所产生
SIGPWR 和系统相关。和UPS相关。
SIGQUIT 输入Quit Key的时候（CTRL+\）发送给所有Foreground Group的进程
SIGSEGV 非法内存访问
SIGSTKFLT Linux专用，数学协处理器的栈异常
SIGSTOP 中止进程。无法处理和忽略。
SIGSYS 非法系统调用
SIGTERM 请求中止进程，kill命令缺省发送
SIGTHAW Solaris专用，从Suspend恢复时候发送
SIGTRAP 实现相关的硬件异常。一般是调试异常
SIGTSTP Suspend Key，一般是Ctrl+Z。发送给所有Foreground Group的进程
SIGTTIN 当Background Group的进程尝试读取Terminal的时候发送
SIGTTOU 当Background Group的进程尝试写Terminal的时候发送
SIGURG 当out-of-band data接收的时候可能发送
SIGUSR1 用户自定义signal 1
SIGUSR2 用户自定义signal 2
SIGVTALRM setitimer函数设置的Virtual Interval Timer超时的时候
SIGWAITING Solaris Thread Library内部实现专用
SIGWINCH 当Terminal的窗口大小改变的时候，发送给Foreground Group的所有进程
SIGXCPU 当CPU时间限制超时的时候
SIGXFSZ 进程超过文件大小限制
SIGXRES Solaris专用，进程超过资源限制的时候发送

注意：

1、不要使用低级的或者STDIO.H的IO函数

2、不要使用对操作

3、不要进行系统调用

4、不是浮点信号的时候不要用longjmp

5、signal函数是由ISO C定义的。因为ISO C不涉及多进程，进程组以及终端I/O等，所以他对信号的定义非常含糊，以至于对UNIX系统而言几乎毫无用处。

备注：因为signal的语义与现实有关，所以最好使用sigaction函数替代本函数。

fcntl函数

通过fcntl可以改变已打开的文件性质。fcntl针对描述符提供控制。参数fd是被参数cmd操作的描述符。针对cmd的值，fcntl能够接受第三个参数int arg。

fcntl的返回值与命令有关。如果出错，所有命令都返回－1，如果成功则返回某个其他值。

函数原型：

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int fcntl(int fd, int cmd); 
int fcntl(int fd, int cmd, long arg); 
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

参数说明：

  • fd：欲设置的文件描述符。
  • cmd：打算操作的指令，它可以取以下几种值：
    • F_DUPFD用来查找大于或等于参数arg的最小且仍未使用的文件描述符，并且复制参数fd的文件描述符。执行成功则返回新复制的文件描述符。新描述符与fd共享同一文件表项，但是新描述符有它自己的一套文件描述符标志，其中FD_CLOEXEC文件描述符标志被清除。请参考dup2。
    • F_GETFD取得close-on-exec旗标。若此旗标的FD_CLOEXEC位为0，代表在调用exec()相关函数时文件将不会关闭。
    • F_SETFD 设置close-on-exec 旗标。该旗标以参数arg 的FD_CLOEXEC位决定。
    • F_GETFL 取得文件描述符状态旗标，此旗标为open（）的参数flags。
    • F_SETFL 设置文件描述符状态旗标，参数arg为新旗标，但只允许O_APPEND、O_NONBLOCK和O_ASYNC位的改变，其他位的改变将不受影响。
    • F_GETLK 取得文件锁定的状态。
    • F_SETLK 设置文件锁定的状态。此时flcok 结构的l_type 值必须是F_RDLCK、F_WRLCK或F_UNLCK。如果无法建立锁定，则返回-1，错误代码为EACCES 或EAGAIN。
    • F_SETLKW F_SETLK 作用相同，但是无法建立锁定时，此调用会一直等到锁定动作成功为止。若在等待锁定的过程中被信号中断时，会立即返回-1，错误代码为EINTR。

**返回值：**与命令有关。如果出错，所有命令都返回－1，如果成功则返回某个其他值。

kill_fasync函数

当设备可写/读时，函数kill_fasync会发送信号sig给内核。

函数原型：

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void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

参数说明：

  • fp：内核的异步队列
  • sig：所要发送的信号类型。
  • band：带宽，它可以取以下两种值：
    • POLL_IN：设备可读
    • POLL_OUT：设备可写

二、Linux异步通知

1. 什么是异步通知

个人认为，异步通知类似于中断的机制，如下面的将要举例的程序，当设备可写时，设备驱动函数发送一个信号给内核，告知内核有数据可读,在条件不满足之前，并不会造成阻塞。而不像之前学的阻塞型IO和poll，它们是调用函数进去检查，条件不满足时还会造成阻塞。

2. 应用层中启用异步通知机制

其实就三个步骤：

1）

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signal(SIGIO, sig_handler);

调用signal函数，让指定的信号SIGIO与处理函数sig_handler对应。

2）

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fcntl(fd, F_SET_OWNER, getpid());

指定一个进程作为文件的“属主(filp->owner)”(可以理解为告诉驱动程序应用程序的PID)，这样内核才知道信号要发给哪个进程。

3）

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f_flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, f_flags | FASYNC);

在设备文件中添加FASYNC标志，驱动中就会调用驱动中实现的fasync函数。

三个步骤执行后，一旦有信号产生，相应的应用程序中的进程就会收到。

3. 驱动中需要实现的异步通知

实现异步通知，内核需要知道几个东西：哪个文件(filp)，什么信号(SIGIO)，发给哪个进程(pid)，收到信号后做什么(sig_handler)。这些都由上述前两个步骤完成了，而这前两个步骤内核帮忙实现了，所以，我们只需要实现第三个步骤的一个简单的传参。

  • fasync_struct结构体

    要实现传参，我们需要把一个结构体struct fasync_struct添加到内核的异步队列中，这个结构体用来存放对应设备文件的信息(如fd, filp)并交给内核来管理。一但收到信号，内核就会在这个所谓的异步队列头找到相应的文件(fd)，并在filp->owner中找到对应的进程PID，并且调用对应的sig_handler了。

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    struct fasync_struct {
        int magic;
        int fa_fd;
        struct fasync_struct *fa_next; /* singly linked list */
        struct file *fa_file;
    };

上面说了前两个步骤会由内核完成，所以我们只要做两件事情：

  1. 定义结构体fasync_struct。

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    struct fasync_struct *async_queue;

  2. 实现驱动程序中的fasync函数：test_fasync，利用函数fasync_helper将fd,filp和定义的异步队列结构体传给内核（这里主要是初始化异步队列async_queue）。

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    static struct fasync_struct *async_queue;

    int test_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
    {
        return fasync_helper(fd, filp, on, &async_queue);
    }

    static struct file_operations sencod_drv_fops = {
        .owner   =  THIS_MODULE,    /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
        ...
        ...
    	.fasync	 =  test_fasync,
    };

    函数fasync_helper的定义为：

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    int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)

    该函数主要负责初始化或释放异步队列async_queue。前面的三个参数其实就是teat_fasync的三个参数，所以只要我们定义好的fasync_struct结构体也传进去就可以了。

  3. 当设备可读时，调用函数kill_fasync发送信号SIGIO给内核。

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    kill_fasync (&async_queue, SIGIO, POLL_IN);

  4. 当设备关闭时，需要将fasync_struct从异步队列中删除：

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    test_fasync(-1, filp, 0);

    删除也是调用test_fasync，不过改了一下参数而已，实际上是通过fasync_helper函数实现的