Linux驅動等待隊列與poll機制

? 當我們在操作設備時，我們經常遇到當設備獲取不到資源時就會掛起進程，當設備資源滿足要求時再喚醒進程(如read函數，當讀不到數據時就會掛起，讀到了數據則可立刻返回)。這種通過阻塞方式訪問設備，可以極大的減輕CPU負荷，在進程掛起是可以讓CPU去執行其它資源。而通過等待隊列的方式就可實現進程阻塞，滿足要求時再喚醒進程。

因為阻塞的進程會進入休眠狀態， 因此， 必須確保有一個地方能夠喚醒休眠的進程。 喚醒進程的地方最大可能發生在中斷里面， 因為硬件資源獲得的同時往往伴隨著一個中斷。

在內核中，等待隊列的合理應用可以極大的提供CPU執行效率，尤其是在中斷處理、進程同步、定時等場合。可以使用等待隊列實現阻塞進程的喚醒。它以隊列為基礎數據結構，與進程調度機制緊密結合，能夠用于實現內核中的異步事件通知機制，同步對系統資源的訪問等。

等待隊列是一種基于資源狀態的線程管理的機制，它可以使線程在資源不滿足的情況下處于休眠狀態，讓出CPU資源，而資源狀態滿足時喚醒線程，使其繼續進行業務的處理。

等待隊列（wait queue）用于使線程等待某一特定的事件發生而無需頻繁的輪詢，進程在等待期間睡眠，在某件事發生時由內核自動喚醒。它是以雙循環鏈表為基礎數據結構，與進程的休眠喚醒機制緊密相聯，是實現異步事件通知、跨進程通信、同步資源訪問等技術的底層技術支撐。

1.等待隊列相關接口函數

??在Linux中，等待隊列是由等待隊列頭wait_queue_head_t *q進行管理，結構體信息如下：

struct __wait_queue_head {
	spinlock_t lock;
	struct list_head task_list;
};

1.1 等待隊列頭初始化

??初始化等待隊列頭可以靜態初始化或者動態初始化

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)
功能： 靜態初始化等待隊列頭
參數： name --等待隊列頭結構體變量名

#define init_waitqueue_head(q)
功能： 靜態初始化等待隊列頭
參數： q–等待隊列頭結構體指針變量

??注意：動態初始化時需要手動創建一個等待隊列頭結構體變量，而靜態初始化只需要填入等待隊列頭變量名即可。即：
??DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(q)等價于下面兩行代碼：

wait_queue_head_t q;
init_waitqueue_head(&q);//動態初始化等待隊列頭

1.2 休眠進程

??休眠進程由兩類函數：可中斷休眠 和 不可中斷休眠。可中斷休眠可中斷休眠是可以通過信號方式喚醒；不可中斷休眠則在休眠期間無法收到信號(如CTRL+C、CTRL+)，信號將會被阻塞，必須等待進程喚醒后才能響應信號。

• 可中斷休眠函數

#define wait_event_interruptible(wq, condition)				
({									
	int __ret = 0;							
	if (!(condition))						
		__wait_event_interruptible(wq, condition, __ret);	
	__ret;								
})
//不可中斷休眠，但可以指定超時時間
#define __wait_event_timeout(wq, condition, ret)			
do {									
	DEFINE_WAIT(__wait);						
									
	for (;;) {							
		prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);	
		if (condition)						
			break;						
		ret = schedule_timeout(ret);				
		if (!ret)						
			break;						
	}								
	finish_wait(&wq, &__wait);					
} while (0)

??wq為等待隊列頭；
??condition為喚醒標志，condition為真喚醒進程，為假則為休眠狀態；
??ret為要指定的超時時間，單位為時鐘節拍jiffies

• 不可中斷休眠函數

#define wait_event(wq, condition) 					
do {									
	if (condition)	 						
		break;							
	__wait_event(wq, condition);					
} while (0)
//可中斷休眠，但可以指定超時時間
#define __wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, ret)		
do {									
	DEFINE_WAIT(__wait);						
									
	for (;;) {							
		prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_INTERRUPTIBLE);	
		if (condition)						
			break;						
		if (!signal_pending(current)) {				
			ret = schedule_timeout(ret);			
			if (!ret)					
				break;					
			continue;					
		}							
		ret = -ERESTARTSYS;					
		break;							
	}								
	finish_wait(&wq, &__wait);					
} while (0)

??wq為等待隊列頭；
??condition為喚醒標志，condition為真喚醒進程，為假則為休眠狀態。
??ret為要指定的超時時間，單位為時鐘節拍jiffies

1.3 喚醒進程

??喚醒休眠進程函數分為兩類：一是可喚醒可中斷和不可中斷休眠進程；二是只能喚醒可中斷休眠進程。
??喚醒進程函數一般是在設備獲取到資源時調用，調用位置常處于中斷處理函數中。

//可喚醒可中斷和不可中斷休眠進程
#define wake_up(x)			__wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)  //隨機喚醒一個休眠進程
#define wake_up_nr(x, nr)		__wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)  //喚醒多個休眠進程
#define wake_up_all(x)			__wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)  //喚醒所有休眠進程
//只能喚醒可中斷休眠進程
#define wake_up_interruptible(x)	__wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL) //隨機喚醒一個休眠進程
#define wake_up_interruptible_nr(x, nr)	__wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL) //喚醒多個休眠進程
#define wake_up_interruptible_all(x)	__wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL) //喚醒所有休眠進程

1.4 等待隊列應用示例
下面以按鍵為例，實現中斷方式按鍵檢測，通過工作隊列處理底半部分代碼，雜項設備框架實現設備注冊。在按鍵的工作函數中喚醒休眠進程。在位獲取到按鍵信息時將進程休眠。
Linux中斷編程參考：https://blog.csdn.net/weixin_44453694/article/details/126812705

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#define KEY_CNT sizeof(key_info)/sizeof(struct key_info)  //按鍵個數

//static wait_queue_head_t key_q;/*等待隊列頭(動態初始化時需要定義)*/
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(key_q);//靜態初始化等待隊列頭
struct key_info
{
	unsigned int gpio;//gpio口
	int irq;//中斷號
	char key_name[20];//注冊中斷名字
	int key_num;//按鍵編號
};
//按鍵信息保存
static struct key_info key_info[]=
{
	{EXYNOS4_GPX3(2),0,"key1",1},
	{EXYNOS4_GPX3(3),0,"key2",2},
	{EXYNOS4_GPX3(4),0,"key3",3},
	{EXYNOS4_GPX3(5),0,"key4",4}
};
static struct key_info *key_p;
static struct work_struct key_work;/*工作結構體*/
static int key_val;
static int condition=0;/*喚醒標志*/
/*工作處理函數*/
void work_func(struct work_struct *work)
{
	msleep(10);//按鍵消抖
	if(gpio_get_value(key_p->gpio)==0)
	{
		//printk("KEY %d 按下n",key_p->key_num);
		key_val=key_p->key_num;
	}
	condition=1;//將喚醒標志置位
	wake_up(&key_q);
	
}
/*中斷服務函數*/
static irqreturn_t key_exit_work(int irq, void *dev)
{
	key_p=(struct key_info *)dev;
	schedule_work(&key_work);//工作調度
	return IRQ_HANDLED;
}

static int key_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("設備打開成功n");
	return 0;
}
static ssize_t key_read(struct file *file, char __user *data, size_t size, loff_t *offset)
{
	int ret;
	int key;
	//wait_event(key_q, condition);//休眠進程(不可中斷休眠)
	wait_event_interruptible(key_q, condition);//休眠進程(可中斷休眠)
	key=key_val;
	condition=0;//清除喚醒標志
	ret=copy_to_user(data,&key,sizeof(key));
	return sizeof(key)-ret;
}
static int key_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("設備關閉成功n");
	return 0;
}
/*文件操早集合*/
static struct file_operations key_fops=
{
	.open=		key_open,
	.read=		key_read,
	.release=	key_release
};


/*雜項設備結構體*/
static struct miscdevice key_misc=
{
	.minor=MISC_DYNAMIC_MINOR,//次設備號，255，有內核分配
	.name="key_exit",//在/dev下生成的設備節點名字
	.fops=&key_fops
};
static int __init wbyq_key_exit_init(void)
{
	int i=0;
	int ret;
	/*初始化等待隊列頭*/
	//init_waitqueue_head(&key_q);
	/*初始化工作*/
	INIT_WORK(&key_work, work_func);
	for(i=0;i;i++)>

• 執行效果

審核編輯：湯梓紅