Linux select/poll机制原理分析
轉載一篇文章，講解select和poll機制的，分享給大家。
前言
Read the fucking source code! ?--By 魯迅
A picture is worth a thousand words. --By 高爾基
1. 概述
Linux系統在訪問設備的時候，存在以下幾種IO模型：
Blocking IO Model，阻塞IO模型；
Nonblocking I/O Model，非阻塞IO模型；
I/O Multiplexing Model，IO多路復用模型;
Signal Driven I/O Model，信號驅動IO模型；
Asynchronous I/O Model，異步IO模型；
今天我們來分析下IO多路復用機制，在Linux中是通過select/poll/epoll機制來實現的。
先看一下阻塞IO模型與非阻塞IO模型的特點：
阻塞IO模型：在IO訪問的時候，如果條件沒有滿足，會將當前任務切換出去，等到條件滿足時再切換回來。
缺點：阻塞IO操作，會讓處于同一個線程的執行邏輯都在阻塞期間無法執行，這往往意味著需要創建單獨的線程來交互。
非阻塞IO模型：在IO訪問的時候，如果條件沒有滿足，直接返回，不會block該任務的后續操作。
缺點：非阻塞IO需要用戶一直輪詢操作，輪詢可能會來帶CPU的占用問題。
對單個設備IO操作時，問題并不嚴重，如果有多個設備呢？比如，在服務器中，監聽多個Client的收發處理，這時候IO多路復用就顯得尤為重要了，來張圖：
如果這個圖，讓你有點迷惑，那就像個男人一樣，man一下select/poll函數吧：
select:
poll
簡單來說，select/poll能監聽多個設備的文件描述符，只要有任何一個設備滿足條件，select/poll就會返回，否則將進行睡眠等待?？雌饋?#xff0c;select/poll像是一個管家了，統一負責來監聽處理了。
已經迫不及待來看看原理了，由于底層的機制大體差不多，我將選擇select來做進一步分析。
2. 原理
2.1 select系統調用
從select的系統調用開始：
select系統調用，最終的核心邏輯是在do_select函數中處理的，參考fs/select.c文件；
do_select函數中，有幾個關鍵的操作：
初始化poll_wqueues結構，包括幾個關鍵函數指針的初始化，用于驅動中進行回調處理；
循環遍歷監測的文件描述符，并且調用f_op->poll()函數，如果有監測條件滿足，則會跳出循環；
在監測的文件描述符都不滿足條件時，poll_schedule_timeout讓當前進程進行睡眠，超時喚醒，或者被所屬的等待隊列喚醒；
do_select函數的循環退出條件有三個：
檢測的文件描述符滿足條件；
超時；
有信號要處理；
在設備驅動程序中實現的poll()函數，會在do_select()中被調用，而驅動中的poll()函數，需要調用poll_wait()函數，poll_wait函數本身很簡單，就是去回調函數p->_qproc()，這個回調函數正是poll_initwait()函數中初始化的__pollwait()；
所以，來看看__pollwait()函數嘍。
2.2 __pollwait
驅動中的poll_wait函數回調__pollwait，這個函數完成的工作是向struct poll_wqueue結構中添加一條poll_table_entry；
poll_table_entry中包含了等待隊列的相關數據結構；
對等待隊列的相關數據結構進行初始化，包括設置等待隊列喚醒時的回調函數指針，設置成pollwake；
將任務添加到驅動程序中的等待隊列中，最終驅動可以通過wake_up_interruptile等接口來喚醒處理；
這一頓操作，其實就是驅動向select維護的struct poll_wqueue中注冊，并將調用select的任務添加到驅動的等待隊列中，以便在合適的時機進行喚醒。所以，本質上來說，這是基于等待隊列的機制來實現的。
是不是還有點抽象，來看看數據結構的組織關系吧。
2.3 數據結構關系
調用select系統調用的進程/線程，會維護一個struct poll_wqueues結構，其中兩個關鍵字段：
pll_table：該結構體中的函數指針_qproc指向__pollwait函數；
struct poll_table_entry[]：存放不同設備的poll_table_entry，這些條目的增加是在驅動調用poll_wait->__pollwait()時進行初始化并完成添加的；
定義一個等待隊列頭wait_queue_head_t，用于收留等待隊列任務；
struct file_operations結構體中的poll函數需要實現，比如xxx_poll()；
xxx_poll()函數中，當然不要忘了poll_wait函數的調用了，此外，該函數的返回值mask需要注意是在條件滿足時對應的值，比如EPOLLIN/EPOLL/EPOLLERR等，這個返回值是在do_select()函數中會去判斷處理的；
條件滿足的時候，wake_up_interruptible喚醒任務，當然也可以使用wake_up，區別是：wake_up_interruptible只能喚醒處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態的任務，而wake_up能喚醒處于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態的任務；
select與poll本質上基本類似，其中select是由BSD UNIX引入，poll由SystemV引入；
select與poll需要輪詢文件描述符集合，并在用戶態和內核態之間進行拷貝，在文件描述符很多的情況下開銷會比較大，select默認支持的文件描述符數量是1024；
Linux提供了epoll機制，改進了select與poll在效率與資源上的缺點，未深入了解；
驅動維護一個count值，當count值大于0時，表明條件滿足，poll返回正常的mask值；
poll函數每執行一次，count值就減去一次；
count的值可以由用戶通過ioctl來進行設置；
#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");
創建一個設值線程，用于每隔2秒來設置一次count值；
主線程調用select函數監聽，當設值線程設置了count值后，select便會返回；
#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;
}
2.4 驅動編寫啟示
如果驅動中要支持select的接口調用，那么需要做哪些事情呢？如果理解了上文中的內容，你會毫不猶豫的大聲說出以下幾條：
2.5 select/poll的差異
3. 示例代碼
3.1 內核驅動
示例代碼中的邏輯：
3.2 測試代碼
測試代碼邏輯：
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux select/poll机制原理分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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