作者：刘昊昱
编译环境：Ubuntu 10.10
内核版本：2.6.32-38-generic-pae
LDD3源码路径：examples/scull/pipe.c examples/scull/main.c
一、异步通知机制的实现
本文分析LDD3第6章中的异步通知机制。
通过使用异步通知机制，应用程序可以在指定的I/O操作可执行时，收到一个信号，而不需要不停的使用轮询来查询设备。
要使用异步通知机制，对于用户空间程序来说，需要执行如下步骤：
首先，指定一个进程作为文件的“属主”。这是通过使用fcntl系统调用执行F_SETOWN命令完成的，该命令会把进程ID号保存在filp->f_owner中。这一步的目的是让内核知道应该通知哪个进程。
其次，在设备中设置FASYNC标志，这是通过fcntl的F_SETFL命令完成的。
执行完这两个步骤后，当指定的I/O操作可执行时，就会给相应进程发送一个SIGIO信号。
从内核的角度看，要实现异步通知机制，需要经过如下三个步骤：
首先，F_SETOWN被调用时，对filp->f_owner赋值，此外什么也不做。
其次，执行F_SETFL设置FASYNC时，调用驱动程序的fasync函数。只要filp->f_flags中的FASYNC标志发生了变化，就应该调用这个函数，以便把这个变化通知驱动程序，使其能做出正确响应。文件打开时，FASYNC标志默认是被清除的。
第三，当指定的I/O操作可执行时，所有注册为异步通知的进程都会被发送一个SIGIO信号。
第一步的实现很简单，在驱动程序部分没有什么可做的。第二步和第三部则要涉及维护一个动态数据结构，以跟踪不同的异步读取进程，这种进程可能有好几个。不过，这个动态数据结构并不依赖于特定设备，内核已经提供了一套通用的实现方法，没有必要为每个驱动程序重写这部分代码。
Linux的这种通用方法基于一个数据结构和两个函数，这个数据结构是struct fasync_struct，该结构体在linux/fs.h中定义如下：
struct fasync_struct {
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next; /* singly linked list */
struct file *fa_file;
};和处理等待队列的方式类似，我们需要把一个该类型的指针插入设备特定的数据结构中去。回忆一下scullpipe设备结构体的定义：
33struct scull_pipe {
34 wait_queue_head_t inq, outq; /* read and write queues */
35 char *buffer, *end; /* begin of buf, end of buf */
36 int buffersize; /* used in pointer arithmetic */
37 char *rp, *wp; /* where to read, where to write */
38 int nreaders, nwriters; /* number of openings for r/w */
39 struct fasync_struct *async_queue; /* asynchronous readers */
40 struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */
41 struct cdev cdev; /* Char device structure */
42};int fasync_helper(int fd, struct file * filp,
int on, struct fasync_struct **fapp);
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)
scullpipe设备的fasync函数实现如下：
253static int scull_p_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)
254{
255 struct scull_pipe *dev = filp->private_data;
256
257 return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);
258}
221 /* and signal asynchronous readers, explained late in chapter 5 */
222 if (dev->async_queue)
223 kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
最后要做的是，当文件关闭时，必须调用fasync方法，以便从活动的异步通知进程列表中删除该文件。在scullpipe的close函数中，有如下代码：
[cpp]
view plain
copy
print
?
- 98 /* remove this filp from the asynchronously notified filp's */
- 99 scull_p_fasync(-1, filp, 0);
98 /* remove this filp from the asynchronously notified filp's */
99 scull_p_fasync(-1, filp, 0);
/*
* asynctest.c: use async notification to read stdin
*
* Copyright (C) 2001 Alessandro Rubini and Jonathan Corbet
* Copyright (C) 2001 O'Reilly & Associates
*
* The source code in this file can be freely used, adapted,
* and redistributed in source or binary form, so long as an
* acknowledgment appears in derived source files. The citation
* should list that the code comes from the book "Linux Device
* Drivers" by Alessandro Rubini and Jonathan Corbet, published
* by O'Reilly & Associates. No warranty is attached;
* we cannot take responsibility for errors or fitness for use.
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
int gotdata=0;
void sighandler(int signo)
{
if (signo==SIGIO)
gotdata++;
return;
}
char buffer[4096];
int main(int argc, char **argv)
{
int count;
struct sigaction action;
memset(&action, 0, sizeof(action));
action.sa_handler = sighandler;
action.sa_flags = 0;
sigaction(SIGIO, &action, NULL);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL) | FASYNC);
while(1) {
/* this only returns if a signal arrives */
sleep(86400); /* one day */
if (!gotdata)
continue;
count=read(0, buffer, 4096);
/* buggy: if avail data is more than 4kbytes... */
write(1,buffer,count);
gotdata=0;
}
}
第38 - 42行，设置信号处理函数sighandler。第24 - 29行，是信号处理函数sighandler的实现。第44行，指定当前进程作为标准输入设备的“属主”。第45行，在标准输入设备中设置FASYNC标志。第47 - 56行，循环等待，当输入设备有数据可读时，会发信号唤醒进程，并读取和打印信息。使用该程序测试scullpipe的过程如下图所示：我们把asynctest的标准输入重定向到/dev/scullpipe1，所以当/dev/scullpipe1有数据可读，时会向asynctest发信号SIGIO，唤醒asynctest，执行信号处理函数，然后读取并打印信息，再进入下次循环。如下图所示：
