【原创】Linux select/poll机制原理分析

2022-08-07 12:27:43

前言

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

1. 概述

Linux系统在访问设备的时候，存在以下几种IO模型：

  1. Blocking IO Model，阻塞IO模型；
  2. Nonblocking I/O Model，非阻塞IO模型；
  3. I/O Multiplexing Model，IO多路复用模型;
  4. Signal Driven I/O Model，信号驱动IO模型；
  5. Asynchronous I/O Model，异步IO模型；

今天我们来分析下IO多路复用机制，在Linux中是通过select/poll/epoll机制来实现的。

先看一下阻塞IO模型与非阻塞IO模型的特点：

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  • 阻塞IO模型：在IO访问的时候，如果条件没有满足，会将当前任务切换出去，等到条件满足时再切换回来。
    • 缺点：阻塞IO操作，会让处于同一个线程的执行逻辑都在阻塞期间无法执行，这往往意味着需要创建单独的线程来交互。
  • 非阻塞IO模型：在IO访问的时候，如果条件没有满足，直接返回，不会block该任务的后续操作。
    • 缺点：非阻塞IO需要用户一直轮询操作，轮询可能会来带CPU的占用问题。

对单个设备IO操作时，问题并不严重，如果有多个设备呢？比如，在服务器中，监听多个Client的收发处理，这时候IO多路复用就显得尤为重要了，来张图：

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如果这个图，让你有点迷惑，那就像个男人一样，man一下select/poll函数吧：

  • select:
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  • poll
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简单来说，select/poll能监听多个设备的文件描述符，只要有任何一个设备满足条件，select/poll就会返回，否则将进行睡眠等待。
看起来，select/poll像是一个管家了，统一负责来监听处理了。

已经迫不及待来看看原理了，由于底层的机制大体差不多，我将选择select来做进一步分析。

2. 原理

2.1 select系统调用

从select的系统调用开始：

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  • select系统调用，最终的核心逻辑是在do_select函数中处理的，参考fs/select.c文件；
  • do_select函数中，有几个关键的操作：
    1. 初始化poll_wqueues结构，包括几个关键函数指针的初始化，用于驱动中进行回调处理；
    2. 循环遍历监测的文件描述符，并且调用f_op->poll()函数，如果有监测条件满足，则会跳出循环；
    3. 在监测的文件描述符都不满足条件时，poll_schedule_timeout让当前进程进行睡眠，超时唤醒，或者被所属的等待队列唤醒；
  • do_select函数的循环退出条件有三个：
    1. 检测的文件描述符满足条件；
    2. 超时；
    3. 有信号要处理；
  • 在设备驱动程序中实现的poll()函数，会在do_select()中被调用，而驱动中的poll()函数，需要调用poll_wait()函数，poll_wait函数本身很简单，就是去回调函数p->_qproc()，这个回调函数正是poll_initwait()函数中初始化的__pollwait()；

所以，来看看__pollwait()函数喽。

2.2 __pollwait

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  • 驱动中的poll_wait函数回调__pollwait，这个函数完成的工作是向struct poll_wqueue结构中添加一条poll_table_entry；
  • poll_table_entry中包含了等待队列的相关数据结构；
  • 对等待队列的相关数据结构进行初始化，包括设置等待队列唤醒时的回调函数指针，设置成pollwake；
  • 将任务添加到驱动程序中的等待队列中，最终驱动可以通过wake_up_interruptile等接口来唤醒处理；

这一顿操作，其实就是驱动向select维护的struct poll_wqueue中注册，并将调用select的任务添加到驱动的等待队列中，以便在合适的时机进行唤醒。所以，本质上来说，这是基于等待队列的机制来实现的。

是不是还有点抽象，来看看数据结构的组织关系吧。

2.3 数据结构关系

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  • 调用select系统调用的进程/线程，会维护一个struct poll_wqueues结构，其中两个关键字段：
    1. pll_table：该结构体中的函数指针_qproc指向__pollwait函数；
    2. struct poll_table_entry[]：存放不同设备的poll_table_entry，这些条目的增加是在驱动调用poll_wait->__pollwait()时进行初始化并完成添加的；

2.4 驱动编写启示

如果驱动中要支持select的接口调用，那么需要做哪些事情呢？
如果理解了上文中的内容，你会毫不犹豫的大声说出以下几条：

  1. 定义一个等待队列头wait_queue_head_t，用于收留等待队列任务；
  2. struct file_operations结构体中的poll函数需要实现，比如xxx_poll()；
  3. xxx_poll()函数中，当然不要忘了poll_wait函数的调用了，此外，该函数的返回值mask需要注意是在条件满足时对应的值，比如EPOLLIN/EPOLL/EPOLLERR等，这个返回值是在do_select()函数中会去判断处理的；
  4. 条件满足的时候，wake_up_interruptible唤醒任务，当然也可以使用wake_up，区别是：wake_up_interruptible只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的任务，而wake_up能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的任务；

2.5 select/poll的差异

  • select与poll本质上基本类似，其中select是由BSD UNIX引入，poll由SystemV引入；
  • select与poll需要轮询文件描述符集合，并在用户态和内核态之间进行拷贝，在文件描述符很多的情况下开销会比较大，select默认支持的文件描述符数量是1024；
  • Linux提供了epoll机制，改进了select与poll在效率与资源上的缺点，未深入了解；

3. 示例代码

3.1 内核驱动

示例代码中的逻辑：

  1. 驱动维护一个count值，当count值大于0时，表明条件满足，poll返回正常的mask值；
  2. poll函数每执行一次，count值就减去一次；
  3. count的值可以由用户通过ioctl来进行设置；
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/slab.h>
#include <asm/ioctl.h>

#define POLL_DEV_NAME		"poll"

#define POLL_MAGIC		‘P‘
#define POLL_SET_COUNT      (_IOW(POLL_MAGIC, 0, unsigned int))

struct poll_dev {
	struct cdev cdev;
	struct class *class;
	struct device *device;

	wait_queue_head_t wq_head;

	struct mutex poll_mutex;
	unsigned int count;

	dev_t devno;
};

struct poll_dev *g_poll_dev = NULL;

static int poll_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = g_poll_dev;

	return 0;
}

static int poll_close(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

static unsigned int poll_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
	unsigned int mask = 0;
	struct poll_dev *dev = filp->private_data;

	mutex_lock(&dev->poll_mutex);

	poll_wait(filp, &dev->wq_head, wait);

	if (dev->count > 0) {
		mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

		/* decrease each time */
		dev->count--;
	}
	mutex_unlock(&dev->poll_mutex);

	return mask;
}

static long poll_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
		unsigned long arg)
{
	struct poll_dev *dev = filp->private_data;
	unsigned int cnt;

	switch (cmd) {
		case POLL_SET_COUNT:
			mutex_lock(&dev->poll_mutex);
			if (copy_from_user(&cnt, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd))) {
				pr_err("copy_from_user fail:%d\n", __LINE__);
				return -EFAULT;
			}

			if (dev->count == 0) {
				wake_up_interruptible(&dev->wq_head);
			}

			/* update count */
			dev->count += cnt;

			mutex_unlock(&dev->poll_mutex);
			break;
		default:
			return -EINVAL;
	}

	return 0;
}

static struct file_operations poll_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = poll_open,
	.release = poll_close,
	.poll = poll_poll,
	.unlocked_ioctl = poll_ioctl,
	.compat_ioctl = poll_ioctl,
};

static int __init poll_init(void)
{
	int ret;

	if (g_poll_dev == NULL) {
		g_poll_dev = (struct poll_dev *)kzalloc(sizeof(struct poll_dev), GFP_KERNEL);
		if (g_poll_dev == NULL) {
			pr_err("struct poll_dev allocate fail\n");
			return -1;
		}
	}

	/* allocate device number */
	ret = alloc_chrdev_region(&g_poll_dev->devno, 0, 1, POLL_DEV_NAME);
	if (ret < 0) {
		pr_err("alloc_chrdev_region fail:%d\n", ret);
		goto alloc_chrdev_err;
	}

	/* set char-device */
	cdev_init(&g_poll_dev->cdev, &poll_fops);
	g_poll_dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
	ret = cdev_add(&g_poll_dev->cdev, g_poll_dev->devno, 1);
	if (ret < 0) {
		pr_err("cdev_add fail:%d\n", ret);
		goto cdev_add_err;
	}

	/* create device */
	g_poll_dev->class = class_create(THIS_MODULE, POLL_DEV_NAME);
	if (IS_ERR(g_poll_dev->class)) {
		pr_err("class_create fail\n");
		goto class_create_err;
	}
	g_poll_dev->device = device_create(g_poll_dev->class, NULL,
			g_poll_dev->devno, NULL, POLL_DEV_NAME);
	if (IS_ERR(g_poll_dev->device)) {
		pr_err("device_create fail\n");
		goto device_create_err;
	}

	mutex_init(&g_poll_dev->poll_mutex);
	init_waitqueue_head(&g_poll_dev->wq_head);

	return 0;

device_create_err:
	class_destroy(g_poll_dev->class);
class_create_err:
	cdev_del(&g_poll_dev->cdev);
cdev_add_err:
	unregister_chrdev_region(g_poll_dev->devno, 1);
alloc_chrdev_err:
	kfree(g_poll_dev);
	g_poll_dev = NULL;
	return -1;
}

static void __exit poll_exit(void)
{
	cdev_del(&g_poll_dev->cdev);
	device_destroy(g_poll_dev->class, g_poll_dev->devno);
	unregister_chrdev_region(g_poll_dev->devno, 1);
	class_destroy(g_poll_dev->class);

	kfree(g_poll_dev);
	g_poll_dev = NULL;
}

module_init(poll_init);
module_exit(poll_exit);

MODULE_DESCRIPTION("select/poll test");
MODULE_AUTHOR("LoyenWang");
MODULE_LICENSE("GPL");

3.2 测试代码

测试代码逻辑：

  1. 创建一个设值线程，用于每隔2秒来设置一次count值；
  2. 主线程调用select函数监听，当设值线程设置了count值后，select便会返回；
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>

static void *set_count_thread(void *arg)
{
	int fd = *(int *)arg;
	unsigned int count_value = 1;
	int loop_cnt = 20;
	int ret;

	while (loop_cnt--) {
		ret = ioctl(fd, NOTIFY_SET_COUNT, &count_value);
		if (ret < 0) {
			printf("ioctl set count value fail:%s\n", strerror(errno));
			return NULL;
		}

		sleep(1);
	}

	return NULL;
}

int main(void)
{
	int fd;
	int ret;
	pthread_t setcnt_tid;
	int loop_cnt = 20;

	/* for select use */
	fd_set rfds;
	struct timeval tv;

	fd = open("/dev/poll", O_RDWR);
	if (fd < 0) {
		printf("/dev/poll open failed: %s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}

	/* wait up to five seconds */
	tv.tv_sec = 5;
	tv.tv_usec = 0;

	ret = pthread_create(&setcnt_tid, NULL,
			set_count_thread, &fd);
	if (ret < 0) {
		printf("set_count_thread create fail: %d\n", ret);
		return -1;
	}

	while (loop_cnt--) {
		FD_ZERO(&rfds);
		FD_SET(fd, &rfds);

		ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
		//ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
		if (ret == -1) {
			perror("select()");
			break;
		}
		else if (ret)
			printf("Data is available now.\n");
		else {
			printf("No data within five seconds.\n");
		}
	}

	ret = pthread_join(setcnt_tid, NULL);
	if (ret < 0) {
		printf("set_count_thread join fail.\n");
		return -1;
	}

	close(fd);

	return 0;
}

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