【嵌入式Linux】阻塞与非阻塞IO为何能降低CPU使用率

本文主要记录嵌入式Linux内核中阻塞与非阻塞IO访问的应用，以及解释了为何二者可以降低CPU使用率

阻塞与非阻塞IO为何能降低CPU使用率

0. 授权须知
1. 通俗解释
2. 场景描述
3. 阻塞IO之———等待队列使用详解
4. 非阻塞IO之———poll select
- 4.1 poll 访问
- 4.2 selct 访问
5. 为什么阻塞式IO也能降低CPU的使用率？

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作者：积跬步、至千里

1. 通俗解释

当应用程序对设备驱动操作的时候，比如应用程序的 read 操作，如果不能获取到设备资源，则

1️⃣ :阻塞式IO：会将应用程序对应的线程 挂起，直到设备资源可以获取

2️⃣ :非阻塞IO：应用程序会一直 轮询，直到设备可以获取

阻塞式 IO ：当设备文件不可操作的时候，线程可以进入 休眠态，让出CPU的资源
非阻塞式IO：线程会一直处于运行态，任务无法立即完成，函数直接返回或者一直轮询，占用CPU资源，造成 资源浪费

2. 场景描述

应用程序通过 read 函数读取开发板是否有按键按下，若有按键按下，则打印信息

阻塞式 IO ：当没有按键按下时，应用程序的线程可以进入休眠态，让出CPU资源；当按下按键时，在按键中断中唤醒线程；
非阻塞式IO：一直 read , read , read , read, read , read, read , read， read , read……………………………………

使用 top 指令查看，可以看到非阻塞式IO尽管只有一个read操作，但是却占据了CPU的大部分资源

3. 阻塞IO之———等待队列使用详解

一般在 中断函数 中实现进程的唤醒

初始化等待队列头 wait_queue_head_t
将等待队列项加入到等待队列中 wait_queue_head_t
当设备不可访问时，将进程对应的等待队列项添加到创建的等待队列头中，加入以后进程才能进入休眠状态
当设备可以访问时，从等待队列头中移除进程对应的等待队列项

wait_queue_head_t head_wait;	/* 等待队列头 *//* 1. 初始化等待队列头 */
init_waitqueue_head(&head_wait);/* 2. 定义并初始化一个等待队列，给当前正在运行的进程创建并初始化一个等待队列项 */
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);	// current 表示等待队列属于哪个进程/*3.设备不可访问时，将等待队列添加到等待队列头*/
add_wait_queue(&head_wait,&wait);
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 设置当前进程的状态,可被信号打断
schedule();								// 进行一次任务切换，当前进程进入休眠态，休眠后程序会停留在这里/*4.当设备可以访问时，将当前进程从等待队列中移除*/
if(signal_pending(current))	 return;           // 若是被信号唤醒的，则返回，继续休眠
__set_current_state(TASK_RUNNING);            /* 若果是在按键中断中唤醒的，则将当前任务设置为运行状态 */
remove_wait_queue(&head_wait,&wait);/*5.进程是在哪里被唤醒的？？？？*/
/*当发生按键中断时，在中断回调函数中开启了 timer 定时器，在timer 定时器的中断回调函数中 */
wake_up_interruptible(&head_wait);    // 在这里唤醒了等待队列

使用等待队列后，使用 top指令查看，CPU的使用率立马降下来了

4. 非阻塞IO之———poll select

应用程序采用 poll selct epoll 函数，都会调用驱动程序的 file_operations 操作集中的 poll 函数的回调函数

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

4.1 poll 访问

【应用程序】

poll 函数：

参数1：文件描述符集合

参数2：文件描述符数量

参数3：超时时间

struct pollfd fds;
int ret = 0;
/* 构造结构体 */
fds.fd = fd;
fds.events = POLLIN;
while(1){ret = poll(&fds, 1, 500);if(ret){   									/* 数据有效 */ret = read(fd, &data, sizeof(data));	/* 读取数据 */}else if (ret == 0) { 	/* 超时 */}else if (ret < 0) {	/* 错误 */	}
}

【驱动程序】

unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{/* 将等待队列头添加到poll_table中 */poll_wait(filp, &head_wait, wait);  // 不会阻塞
}/*在中断中唤醒进程*/
wake_up_interruptible(&head_wait);

4.2 selct 访问

【应用程序】

while (1) {	FD_ZERO(&readfds);FD_SET(fd, &readfds);/* 构造超时时间 */timeout.tv_sec = 0;timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);switch (ret) {case 0: 	/* 超时 *//* 用户自定义超时处理 */break;case -1:	/* 错误 *//* 用户自定义错误处理 */break;default:  /* 可以读取数据 */if(FD_ISSET(fd, &readfds)) {ret = read(fd, &data, sizeof(data));if (ret < 0) {/* 读取错误 */} else {if (data)printf("key value=%d\r\n", data);}}break;}	}