Linux驱动学习笔记：异步通知

什么是异步通知

异步通知在Linux的实现中是通过信号，而 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟 。这种机制和中断非常类似，所以可以以中断的思想来理解这一过程，信号其实就相当于应用层的中断。

信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互，内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。

如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它；如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

异步通知和异步IO的区别

异步通知 ：当资源可获得时，由 驱动程序向应用层发送一个信号，主动通知应用程序 ，再由应用程序发起访问。

异步IO ： 主动获取设备的资源信息 ，首先发起一个IO操作请求，资源可用时，应用层注册的回调函数会被主动调用。但是 异步通知不能直接调用应用层注册的回调函数，而是由驱动程序向应用层发送一个信号 。

信号含义

信号名	含义	默认操作
SIGHUP	该信号在用户终端连接(正常或非正常)结束时发出，通常是在终端的控制进程结束时，通知同一会话内的各个作业与控制终端不再关联。	终止
SIGINT	该信号在用户键入INTR字符(通常是Ctrl-C)时发出，终端驱动程序发送此信号并送到前台进程中的每一个进程。	终止
SIGQUIT	该信号和SIGINT类似，但由QUIT字符(通常是Ctrl-\\)来控制。	终止
SIGILL	该信号在一个进程企图执行一条非法指令时(可执行文件本身出现错误，或者试图执行数据段、堆栈溢出时)发出。	终止
SIGFPE	该信号在发生致命的算术运算错误时发出。这里不仅包括浮点运算错误，还包括溢出及除数为0等其它所有的算术的错误。	终止

SIGKILL	该信号用来立即结束程序的运行，并且不能被阻塞、处理和忽略。	终止
SIGALRM	该信号当一个定时器到时的时候发出。	终止
SIGSTOP	该信号用于暂停一个进程，且不能被阻塞、处理或忽略。	暂停进程
SIGTSTP	该信号用于暂停交互进程，用户可键入SUSP字符(通常是Ctrl-Z)发出这个信号。	暂停进程
SIGCHLD	子进程改变状态时，父进程会收到这个信号	忽略
SIGABORT	该信号用于结束进程	终止

当应用层接收到一个信号时，可以对信号执行忽略、捕捉和缺省三种操作：

忽略信号 ：对信号不做任何处理，但是有两个信号不能忽略：即SIGKILL及SIGSTOP。

捕捉信号 ：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数。

缺省信号 ：执行Linux对该信号的默认操作

应用层使用信号

以下是应用层捕捉SIGIO信号的简单示例：

void input_handler(int signum)
{
    //如果驱动发送了SIGIO信号，在此处理
  printf("recive from %d\\n"，signum);
 
}
int main()
{
  int fd ,oflags;
  fd=open("/dev/global",O_RDWR,S_IRUSR | S_IWUSR);
 if(fd != -1)
{
  //启动信号机制
  signal(SIGIO,input_handler);//设置SIGIO信号的处理函数
     
  fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//将进程ID赋值给filp- >f_owner
     
  oflags = fcntl(fd,F_GETFL);
  fcntl(fd,F_SETFL,oflags | FASYNC);//驱动的fasync方法被调用
     
  while(1)
  {
    sleep(1000);
  }
}
}

• 当应用层F_SETOWN, 驱动什么都没做,内核只是将进程的ID赋值给 filp->f_owner；
• 当应用层F_SETFL被执行来打开 FASYNC, 驱动的 fasync 方法被调用.
• 当数据到达, 驱动向进程发出一个 SIGIO信号

驱动如何实现异步信号

驱动的实现主要用到一个结构体和 两个函数 ：

fasync_struct结构体：

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;
};

函数：

fasync_helper()：用于处理FASYNC标志变更

fasync_helper()函数是用来初始化fasync_struct结构体变量，并设置异步通知队列的

int fasync_helper(int fd,            //文件描述符 
 struct file * filp,   //文件指针
 int on, 
 struct fasync_struct **fapp);   //要设置的结构

第三个参数on表示设置还是删除，on为真时初始化，为假时（0），移除.

kill_fasync()：发送信号

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

fp：是已初始化的fasync_struct数据结构

sig：要发送的信号

band：在可读时设置为POLL_IN，在可写时设置为POLL_OUT;

驱动实例

static struct fasync_struct *btn_fasync;

static irqreturn_t btn_irq_handler(int irq, void *dev)
{
 struct btn_t *p = (struct btn_t *)dev;
    
    //发送信号
 kill_fasync(&btn_fasync, SIGIO, POLL_IN);
    
    return IRQ_HANDLED;
}

static int btn_drv_fasync(int fd, struct file *fp, int on)
{
 //初始化btn_fasync结构，并添加到异步通知列表中
 return fasync_helper(fd, fp, on, &btn_fasync);
}

static int btn_drv_close(struct inode *inode, struct file *filp)
{
 if(filp- >f_flags & FASYNC)
        fasync_helper(-1, flip, 0, &btn_fasync);//将文件从异步通知的列表中删除
 return 0;
}

static struct file_operations btn_ops={
 ......
    .release = btn_drv_close,
 .fasync = btn_drv_fasync,
};

主要步骤 ：

1、构造struct fasync_struct链表的头

2、实现fasync接口函数，调用fasync_helper函数来构造struct fasync_struct节点，并加入链表。

3、在资源可用时，调用kill_fasync发送信号，并设置资源的可用类型是可读还是可写。

4、在文件最后一次关闭时，即在release接口中，需要显式调用驱动实现的fasync接口函数，将节点从链表中删除，这样进程就不会再次收到信号。

异步通知主要还是弄明白信号是软件层次对中断的一种模拟，并且信号是由驱动发出的。