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Linux 非阻塞IO（轮询—poll机制）原理及架构

分类: 文章 • 2025-03-13 07:46:39

一. 非阻塞操作

非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，并不挂起，它或者放弃，或者不停地查询，直至可以进行操作为止。这就是我们常说的“轮询”。这是一种比较浪费CPU的方式。但是可以通过信号等方式以异步的形式提高CPU的利用率。
假设recvfrom函数是一个系统调用：
Linux 非阻塞IO（轮询—poll机制）原理及架构
使用非阻塞I/O 的应用程序可借助轮询函数来查询设备是否能立即被访问，用户空间调用select()、poll()和epoll()接口，设备驱动提供poll()函数。设备驱动的poll()本身不会阻塞，但是poll()、select()和epoll()系统调用则会阻塞地等待文件描述符集合中的至少一个可访问或超时。

二. 设备驱动中的轮询编程

设备驱动中poll()函数的原型是：

unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table *wait);

第一个参数为file结构体指针，第二个参数为轮询表指针。
该函数进行两项工作：
（1） 对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait()函数，将对应的等待队列添加到poll_table
（2） 返回表示是否能对设备进行无阻塞读、写访问的掩码。

返回值 说明
POLLIN 普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM 普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI 高优先级数据可读
POLLOUT 普通数据可写
POLLWRNORM 写普通数据不会导致阻塞
POLLWRBAND 优先级带数据可写
POLLERR 发生错误
POLLHUP 发生挂起
POLLNVAL 描述字不是一个打开的文件

用于向poll_table注册等待队列的poll_wait()函数原型如下：

static inline void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *queue, poll_table *wait)
{
	if(wait && wait->qproc && queue)
		wait->qproc(filp, queue, wait);
}

作用：
将当前进程添加到wait参数指定的等待队列(poll_table)中

设备驱动中poll()函数的典型模板

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
 {
	unsigned int mask = 0;
	struct xxx_dev *dev = filp->private_data; /* 获得设备结构体指针 */
	...
	poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); /* 加入读等待队列 */
	poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait); /* 加入写等待队列 */

	if (...) /* 可读 */
		mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /* 标示数据可获得（对用户可读） */

	if (...) /* 可写 */
		mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; /* 标示数据可写入 */
	...
	return mask;
}

三. 从内核态分析poll机制

从应用程序直接调用poll函数,系统会走以下流程

app:poll() / select()
kernel:
	SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd _user*, ufds, unsigned int, nfds, int, timeout_msecs)
    --> do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, struct timespec *end_time)
    	--> poll_initwait(&table);
    		 --> init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
    			 --> pt->_qproc = __pollwait; ==>定义等待队列，并将该进程添加到等待队列队头中。对应驱动函数中的poll_wait()。

		-->fdcount = do_poll(nfds, head, &table, end_time);
			--> for (; pfd != pfd_end; pfd++) /* 可以监测多个驱动设备所产生的事件 */
				{   
					do_pollfd(pfd, pt) 
					-->mask = file->f_op->poll(file, pwait); > 实际效果：执行我们写的drivers_poll(file,wait)
					     return mask; /* 返回事件类型 */
				} 
				
				if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) /* 如果没有事件发生，那么陷入休眠状态 */ 
				--> int poll_sechedule_timeout (struct poll_wqueues* pwq, int state, ktime_t *expires, unsigned long slack)
					{
						...
						set_current_state(state);
						schedule_hrtimeout_rang()	⇒ schedule();//进程调度，使得该进程休眠
						__set_current_state(TASK_RUNNING);//唤醒该进程
						...
					}

		--> poll_freewait(&table)
			--> free_poll_entry()
				--> remove_wait_queue()	//移除等待队列
    	}

关于SYSCALL_DEFINEx请参考

https://blog.****.net/hxmhyp/article/details/22699669

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