linux驱动开发-内核并发 poll 和 lock

内核并发poll 加 lock

执行流程
用户空间进程调用write将数据写入设备：

执行char_write，更新event_triggered并唤醒等待的进程。

有进程因此等待：

正在执行的char_read会检查event_triggered，如果为0，执行等待。

数据可用时：

事件被触发（event_triggered被设为1），之前因等待而被挂起的进程重启，继续执行char_read。

#include <linux/module.h>         // 包含模块相关的头文件，定义模块宏和操作
#include <linux/kernel.h>         // 包含内核相关的头文件，提供基本的内核函数
#include <linux/init.h>           // 包含模块初始化和卸载相关的头文件
#include <linux/fs.h>             // 包含文件系统相关的头文件，定义字符设备操作函数
#include <linux/cdev.h>           // 包含字符设备相关的头文件
#include <linux/poll.h>           // 包含poll相关的头文件
#include <linux/wait.h>           // 包含等待队列相关的头文件
#include <linux/sched.h>          // 包含调度相关的头文件
#include <linux/uaccess.h>        // 包含用户空间和内核空间数据访问相关的头文件

#define DEVICE_NAME "epoll_example"              // 定义设备名称
#define CLASS_NAME "epoll_example_class"         // 定义设备类别名称
// 假设我们存储了写入的数据
static char kbuf[256]; // 用于保持写入的数据
static size_t data_size = 0; // 数据大小

// 定义设备的主设备号
static int major_number;
// 定义设备类
static struct class* char_class = NULL;
// 定义设备
static struct device* char_device = NULL;
// 定义字符设备结构体
static struct cdev cdev;

// 定义读取时的等待队列头
static wait_queue_head_t read_wait;
// 标志变量，表示是否发生事件
static int event_triggered = 0;

static DEFINE_SPINLOCK(event_lock); // 定义一个自旋锁


// 设备打开函数
static int char_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device opened: PID=%d, INODE=%lx\n", current->pid, (unsigned long)inode->i_ino); // 打印设备打开信息和当前进程的PID
    return 0; // 返回成功
}

// 设备关闭函数
static int char_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device closed: PID=%d, INODE=%lx\n", current->pid, (unsigned long)inode->i_ino); // 打印设备关闭信息和当前进程的PID
    return 0; // 返回成功
}

// 更新char_write
static ssize_t char_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *offset) {
    if (len > sizeof(kbuf) - 1) {
        return -EINVAL; // 返回无效参数错误
    }

    if (copy_from_user(kbuf, buf, len)) {
        return -EFAULT; // 返回错误，如果数据复制失败
    }
    
    kbuf[len] = '\0'; // 确保字符串以空字符结束
    data_size = len;  // 记录数据大小
    
    spin_lock(&event_lock); // 加锁
    event_triggered = 1; // 设置事件标志
    spin_unlock(&event_lock); // 解锁
    
    wake_up_interruptible(&read_wait); // 唤醒等待的读取操作
    return len; // 返回写入的字节数
}


// 更新char_read
static ssize_t char_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *offset) {
    // 检查数据是否被触发
    if (!event_triggered) {
        wait_event_interruptible(read_wait, event_triggered != 0); // 等待事件触发
    }

    // 将数据写入用户空间
    if (copy_to_user(buf, kbuf, data_size)) {
        return -EFAULT; // 返回错误，如果数据复制失败
    }

    spin_lock(&event_lock); // 加锁
    event_triggered = 0; // 重置标志
    spin_unlock(&event_lock); // 解锁
    printk(KERN_INFO "读取数据完成\n");

    return data_size; // 返回读取的字节数
}

// 设备轮询函数
static unsigned int char_poll(struct file *file, poll_table *wait) {
    unsigned int mask = 0;

    // 将当前进程加入到等待队列中
    poll_wait(file, &read_wait, wait);
    printk(KERN_INFO "记录当前进程加入到等待队列中\n"); // 记录轮询状态

    // 如果事件触发，设置相应的标志
    if (event_triggered) {
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM; // 设置POLLIN和POLLRDNORM标志
        printk(KERN_INFO "记录事件已触发: %u\n", mask); // 记录事件已触发
    }

    return mask; // 返回轮询状态
}

// 文件操作结构体
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,           // 模块的所有者
    .open = char_open,              // 设备打开操作
    .release = char_release,        // 设备关闭操作
    .write = char_write,            // 添加写操作
    .read = char_read,              // 设备读取操作
    .poll = char_poll,              // 设备轮询操作
};

// 模块初始化函数
static int __init char_init(void) {
    // 动态注册字符设备，并获取主设备号
    major_number = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    if (major_number < 0) {
        printk(KERN_ALERT "Failed to register a major number\n"); // 打印错误信息
        return major_number; // 返回错误码
    }
    printk(KERN_INFO "记录成功注册的主设备号: %d\n", major_number); // 记录成功注册的信息

    // 创建设备类
    char_class = class_create( CLASS_NAME);
    if (IS_ERR(char_class)) {
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME); // 卸载字符设备
        printk(KERN_ALERT "Failed to register device class\n"); // 打印错误信息
        return PTR_ERR(char_class); // 返回错误码
    }
    printk(KERN_INFO "设备类注册成功\n"); // 记录设备类注册成功

    // 创建设备节点
    char_device = device_create(char_class, NULL, MKDEV(major_number, 0), NULL, DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(char_device)) {
        class_destroy(char_class); // 销毁设备类
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME); // 卸载字符设备
        printk(KERN_ALERT "Failed to create the device\n"); // 打印错误信息
        return PTR_ERR(char_device); // 返回错误码
    }
    printk(KERN_INFO "设备节点创建成功\n"); // 记录设备节点创建成功

    // 初始化字符设备
    cdev_init(&cdev, &fops);
    cdev_add(&cdev, MKDEV(major_number, 0), 1); // 向内核注册字符设备

    init_waitqueue_head(&read_wait); // 初始化等待队列头
    printk(KERN_INFO "驱动初始化成功\n"); // 打印初始化成功信息
    return 0; // 返回成功
}

// 模块退出函数
static void __exit char_exit(void) {
    cdev_del(&cdev); // 删除字符设备
    device_destroy(char_class, MKDEV(major_number, 0)); // 销毁设备节点
    class_unregister(char_class); // 注销设备类
    class_destroy(char_class); // 销毁设备类
    unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME); // 卸载字符设备
    printk(KERN_INFO "驱动卸载成功\n"); // 打印卸载成功信息
}

// 模块初始化和退出注册
module_init(char_init); // 注册初始化函数
module_exit(char_exit); // 注册退出函数

MODULE_LICENSE("GPL"); // 指定模块许可证
MODULE_AUTHOR("gopher"); // 指定模块作者
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver with epoll support"); // 模块描述
MODULE_VERSION("1.0"); // 模块版本

测试

测试程序说明

线程创建：
程序创建了多个线程（NUM_THREADS），每个线程负责向设备写入数据。

写入操作：
每个线程会循环执行写入操作（NUM_WRITES次），每次写入一条消息到设备。

延迟模拟：
在每次写入后，线程会休眠一小段时间（usleep(1000)），以模拟实际应用中的延迟。

线程同步：
主线程会等待所有子线程完成后再结束程序。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define DEVICE_PATH "/dev/epoll_example" // 设备路径
#define NUM_THREADS 10 // 定义线程数量
#define NUM_WRITES 100 // 每个线程写入的次数

// 线程函数，向设备写数据
void *write_to_device(void *threadid) {
    long tid = (long)threadid; // 获取线程ID
    int fd = open(DEVICE_PATH, O_WRONLY); // 打开字符设备
    if (fd == -1) {
        perror("打开设备失败"); // 打印打开设备失败的信息
        pthread_exit(NULL); // 退出线程
    }

    char message[256]; // 用于存储写入信息的缓冲区
    for (int i = 0; i < NUM_WRITES; i++) {
        // 格式化写入消息
        snprintf(message, sizeof(message), "线程 %ld: 写入 %d\n", tid, i);
        ssize_t bytes_written = write(fd, message, strlen(message)); // 向设备写数据
        if (bytes_written < 0) {
            perror("写入设备失败"); // 打印写入设备失败的信息
        } else {
            printf("线程 %ld 写入: %s", tid, message); // 输出已写入的消息
        }
        usleep(1000); // 模拟一些延迟
    }

    close(fd); // 关闭设备
    pthread_exit(NULL); // 退出线程
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS]; // 创建线程数组
    int rc; // 返回结果变量
    long t; // 线程计数器

    // 创建多个线程
    for (t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {
        printf("正在创建线程 %ld\n", t); // 输出创建线程的消息
        rc = pthread_create(&threads[t], NULL, write_to_device, (void *)t); // 创建线程
        if (rc) {
            printf("错误: pthread_create() 返回代码是 %d\n", rc); // 输出错误信息
            exit(-1); // 退出程序
        }
    }

    // 等待所有线程完成
    for (t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {
        pthread_join(threads[t], NULL); // 等待线程结束
    }

    printf("所有线程已完成。\n"); // 输出所有线程完成的信息
    return 0; // 返回 0 表示成功
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>

#define DEVICE_PATH "/dev/epoll_example" // 设备路径
#define NUM_THREADS 100   // 定义线程数量
#define NUM_WRITES 1000   // 每个线程写入的次数

void *write_to_device(void *threadid) {
    long tid = (long)threadid;
    int fd = open(DEVICE_PATH, O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open device");
        pthread_exit(NULL);
    }

    char message[256];
    for (int i = 0; i < NUM_WRITES; i++) {
        snprintf(message, sizeof(message), "线程 %ld: 写入 %d\n", tid, i + 1);
        write(fd, message, strlen(message)); // 写入设备
    }

    close(fd);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS]; // 创建线程数组
    int rc;
    struct timeval start, end;

    gettimeofday(&start, NULL); // 记录开始时间

    // 创建多个线程
    for (long t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {
        rc = pthread_create(&threads[t], NULL, write_to_device, (void *)t);
        if (rc) {
            printf("Error: pthread_create() return code is %d\n", rc);
            exit(-1);
        }
    }

    // 等待所有线程完成
    for (int t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {
        pthread_join(threads[t], NULL);
    }

    gettimeofday(&end, NULL); // 记录结束时间
    long seconds = end.tv_sec - start.tv_sec; // 计算耗时
    long microseconds = end.tv_usec - start.tv_usec;
    long elapsed = seconds * 1000000 + microseconds; // 总耗时微秒

    printf("所有线程已完成。总耗时: %ld 微秒\n", elapsed);
    return 0;
}