Linux设备驱动中的异步通知与异步I/O

异步通知的意思是：一旦设备就绪,则主动通知应用程序,这样应用程序根本就不需要查询设备状态,这一点非常类似于硬件上"中断"的概念,比较准确的称谓是"信号驱动的异步I/O"。

Linux信号

Linux系统中，异步通知使用信号来实现。信号也就是一种软件中断。

信号的产生：kill raise alarm

• 用户按下某些终端键；
  
• 硬件异常；
  
• 终止进程信号；
  
• 软件异常。
  
  

信号的处理：

• 忽略该信号，但SIGSTOP SIGKILL不可忽略；
  
• 捕捉该信号，并处理；
  
• 执行默认操作。
  
  

信号的接收

捕捉信号，安装信号处理函数：void (*signal(int signum, void(*handler)(int)))(int);

信号函数的原型为：void handler(int signo);

进程执行时，ctrl+c发出SIGINT信号，kill发出SIGTERM信号。

改变进程接收到特定信号后的行为：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigacton *oldact);

第一个参数可以为除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号。若第二、三个参数都为NULL，那么该函数可用于检查信号的有效性。

在用户空间处理一个设备释放的信号：

• 通过F_SETOWN IO控制命令设置设备文件的拥有者为本进程。
  
• 通过F_SETFLIO控制命令设置设备文件支持FASYNC。
  
• 通过signal()函数连接信号和信号处理函数。
  
  

信号的释放

处理FASYNC标志变更的函数。int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);

释放信号用的函数。void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

AIO概念与GNU C库函数

AIO基本思想是允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。

操作：int aio_read(struct aiocb *aiocbp); int aio_write(struct aiocb *aiocbp); int aio_error(struct aiocb *aiocbp); ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);

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

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

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

使用信号作为AIO的通知

使用回调函数作为AIO的通知

proc文件系统包含了两个虚拟的文件，它们可以用来对异步I/O的性能进行优化。

l /proc/sys/fs/aio-nr文件提供了系统范围异步I/O请求的数目。

l /proc/sys/fs/aio-max-nr文件是所允许的并发请求的最大个数。

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，通过is_sync_kiocb()可以判断某kiocb是否为为同步I/O请求。

块设备和网络设备本身是异步的，只有字符设备必须明确表明应支持AIO。

操作：ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *iocb, char *buff, size_t count, loff_t offset);

ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *iocb, const char *buff, size_t count, loff_t offset);

ssize_t (*aio_fsync)(struct kiocb *iocb, int datasync);

AIO不需要改变文件的位置，所以offset传递值而不需要传递指针。

aio_read和aio_write()函数本身不一定完成了读和写操作，它只是发起、初始化读和写操作。

参考：《Linux 设备驱动开发详解》(宋宝华 编著；人民邮电出版社；)