十一、（正点原子）Linux异步通知

一、简介

我们首先来回顾一下“中断”，中断是处理器提供的一种异步机制，我们配置好中断以后就可以让处理器去处理其他的事情了，当中断发生以后会触发我们事先设置好的中断服务函数，在中断服务函数中做具体的处理。
Linux 应用程序可以通过阻塞或者非阻塞这两种方式来访问驱动设备，通过阻塞方式访问的话应用程序会处于休眠态，等待驱动设备可以使用，非阻塞方式的话会通过 poll 函数来不断的轮询，查看驱动设备文件是否可以使用。这两种方式都需要应用程序主动的去查询设备的使用情况。

“信号”为此应运而生，信号类似于我们硬件上使用的“中断”，只不过信号是软件层次上的。算是在软件层次上对中断的一种模拟，驱动可以通过主动向应用程序发送信号的方式来报告自己可以访问了，应用程序获取到信号以后就可以从驱动设备中读取或者写入数据了。整个过程就相当于应用程序收到了驱动发送过来了的一个中断，然后应用程序去响应这个中断，在整个处理过程中应用程序并没有去查询驱动设备是否可以访问，一切都是由驱动设备自己告诉给应用程序的。

阻塞、非阻塞、异步通知，这三种是针对不同的场合提出来的不同的解决方法，没有优劣之分，在实际的工作和学习中，根据自己的实际需求选择合适的处理方法即可。

异步通知的核心就是信号，在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定义了 Linux 所支持的所有信号，这些信号如下所示：

#define SIGHUP     1 /* 终端挂起或控制进程终止 */
#define SIGINT     2 /* 终端中断(Ctrl+C 组合键) */
#define SIGQUIT    3 /* 终端退出(Ctrl+\组合键) */
#define SIGILL     4 /* 非法指令 */
#define SIGTRAP    5 /* debug 使用，有断点指令产生 */
#define SIGABRT    6 /* 由 abort(3)发出的退出指令 */
#define SIGIOT     6 /* IOT 指令 */
#define SIGBUS     7 /* 总线错误 */
#define SIGFPE     8 /* 浮点运算错误 */
#define SIGKILL    9 /* 杀死、终止进程 */
#define SIGUSR1    10 /* 用户自定义信号 1 */
#define SIGSEGV    11 /* 段违例(无效的内存段) */
#define SIGUSR2    12 /* 用户自定义信号 2 */
#define SIGPIPE    13 /* 向非读管道写入数据 */
#define SIGALRM    14 /* 闹钟 */
#define SIGTERM    15 /* 软件终止 */
#define SIGSTKFLT  16 /* 栈异常 */
#define SIGCHLD    17 /* 子进程结束 */
#define SIGCONT    18 /* 进程继续 */
#define SIGSTOP    19 /* 停止进程的执行，只是暂停 */原子哥在线教学:www.yuanzige.com 论
#define SIGTSTP    20 /* 停止进程的运行(Ctrl+Z 组合键) */
#define SIGTTIN    21 /* 后台进程需要从终端读取数据 */
#define SIGTTOU    22 /* 后台进程需要向终端写数据 */
#define SIGURG     23 /* 有"紧急"数据 */
#define SIGXCPU    24 /* 超过 CPU 资源限制 */
#define SIGXFSZ    25 /* 文件大小超额 */
#define SIGVTALRM  26 /* 虚拟时钟信号 */
#define SIGPROF    27 /* 时钟信号描述 */
#define SIGWINCH   28 /* 窗口大小改变 */
#define SIGIO      29 /* 可以进行输入/输出操作 */
#define SIGPOLL SIGIO
/* #define SIGLOS 29 */
#define SIGPWR     30 /* 断点重启 */
#define SIGSYS     31 /* 非法的系统调用 */
#define SIGUNUSED  31 /* 未使用信号 */

这些信号中，除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)这两个信号不能被忽略外，其他的信号都可以忽略。这些信号就相当于中断号，不同的中断号代表了不同的中断，不同的中断所做的处理不同，因此，驱动程序可以通过向应用程序发送不同的信号来实现不同的功能。

我们使用中断的时候需要设置中断处理函数，同样的，如果要在应用程序中使用信号，那么就必须设置信号所使用的信号处理函数，在应用程序中使用 signal 函数来设置指定信号的处理函数， signal 函数在linux内核中原型如下所示：


#include <signal.h>sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum：要设置处理函数的信号。

handler： 信号的处理函数，原型如下：

typedef void (*sighandler_t)(int);

返回值： 设置成功的话返回信号的前一个处理函数，设置失败的话返回 SIG_ERR。

使用kill -9 PID杀死指定进程的方法就是向指定的进程(PID)发送SIGKILL 这个信号。当按下键盘上的 CTRL+C 组合键以后会向当前正在占用终端的应用程序发出 SIGINT 信号， SIGINT 信号默认的动作是关闭当前应用程序。

这里我们修改一下 SIGINT 信号的默认处理函数，当按下 CTRL+C 组合键以后先在终端上打印出“SIGINT signal！”这行字符串，然后再关闭当前应用程序。

二、驱动中的信号处理

1、fasync_struct结构体

首先我们需要在驱动程序中定义一个fasync_struct结构体指针变量， fasync_struct 结构体定义在linux/fs.h里面内容如下：

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

2、fasync函数

如果要使用异步通知，需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数，此函数格式如下所示：

int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on);

fasync 函数里面一般通过调用 fasync_helper 函数来初始化前面定义的 fasync_struct 结构体指针， fasync_helper 函数定义在linux/fs.h里面，原型如下：

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

fasync_helper 函数的前三个参数就是 fasync 函数的那三个参数，第四个参数就是要初始化的 fasync_struct 结构体指针变量。当应用程序通过“fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)”改变fasync 标记的时候，驱动程序 file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。

驱动程序中的 fasync 函数参考示例如下：

struct xxx_dev {struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;    /* 获取私有数据 */if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)return -EIO;return 0;
}static struct file_operations xxx_ops = {.......fasync = xxx_fasync,......
};

在关闭驱动文件的时候需要在file_operations操作集中的release函数中释放fasync_struct，fasync_struct的释放函数同样为fasync函数，release函数参数参考实例如下：

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
}

3、kill_fasync函数

当设备可以访问的时候，驱动程序需要向应用程序发出信号，相当于产生“中断”。 kill_fasync函数负责发送指定的信号， kill_fasync 函数定义在linux/fs.h里面原型如下所示：

extern void kill_fasync(struct fasync_struct **fpps, int sig, int band);

fpps： 要操作的 fasync_struct异步通知结构体。

sig：要发送的信号。

band：可读时设置为POLL_ON,可写时设置为POLL_OUT。

三、应用程序对异步通知的处理

1、注册信号处理函数

应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数，应用程序使用 signal 函数来设置信号的处理函数。

2、将本应用程序的进程号告诉内核

使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核

3、开启异步通知

使用如下两行程序开启异步通知：

flags = fcntl(fd, F_GETFL);          /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);  /* 开启当前进程异步通知功能 */

重点就是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC，经过这一步，驱动程序中的 fasync 函数就会执行。

四、总结

异步通知就是用户空间想对驱动空间读或者写某个数据时，不需要一直去查看此数据是否可读或可写，可以去执行其他的任务，当要读或写的数据可以被读或写的时候，驱动空间会向用户空间发送一个信号。当空户空间接收到这个信号时，就停止现在的任务去执行读或写数据。

驱动空间怎么向用户空间发送这个信号呢？这里就引出了在驱动空间中文件操作集合file_operations，中的fasync函数了，这个函数就是驱动空间自己查询用户空间想读写的数据的函数，当用户空间调用函数fcntl并且设置参数为fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)，意思是开启驱动空间的异步通知功能。这样，驱动空间的fasync函数就会一直调用查询，当查询到数据可以读或写时，在fasync里面使用fasync_helper函数就可以实现将信号传递给用户空间。

当用户空间收到驱动空间的型号后，如果用户空间有多个进程，那么这个信号时传递给谁使用呢？所以，我们在用户空间中开启异步通知后，需要将开启异步通知的进程的进程号告诉给Linux内核，这样，当驱动空间传递信号过来，用户空间就知道这个信号给谁使用了。