注：本文是《Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux 4.0内核 by 宋宝华 》一书学习的笔记，大部分内容为书籍中的内容。

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字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。对于用户而言，使用文件系统的操作接口open()、close()、read()、write()等进行访问。

阻塞与非阻塞I/O

1.1 简介

阻塞操作：执行设备操作时，若不能获得资源，则挂起进程直到满足可操作的条件后再进行操作。被挂起进程进入睡眠状态，被从调度队列中移走，直到等待的条件被满足。

非阻塞操作：进程在不能进行设备操作时，不挂起，那么轮询，要么放弃，直到可以操作为止。

阻塞与非阻塞的用户态访问的区别：

1.2 实现代码

以阻塞与非阻塞方式读取串口一个字符的代码为例进行说明。

阻塞的方式在打开文件的时候没有O_NONBLOCK标记。

char buf;
fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR);
...
res = read(fd, &buf, 1);  /* 串口有输入才返回 */
if (res == 1)
    printf("%c\n", buf);

非阻塞的读取一个串口字符：

char buf;
fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR | O_NONBLOCK);
...
while(read(fd, &buf, 1) != 1)  /* 串口上无返回，循环尝试读取串口 */
    continue;
printf("%c\n", buf);

除了在打开文件时可以指定阻塞还是非阻塞方式外，在打开文件之后，可以通过ioctl()和fcntl()来改变读写的方式，比如从阻塞变为非阻塞或者从非阻塞变为阻塞。

1.3 等待队列（重点）

在Linux驱动程序中，可以使用等待队列（Wait Queue）来实现阻塞进程的唤醒。

等待队列作为Linux内核中的一个基本单位，以队列为数据结构，与调度机制紧密结合，可以用来同步对系统资源的访问。

1.3.1 相关操作

1）定义等待队列头部：

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
wait_queue_head_t my_queue;

2）初始化等待队列头部：

init_waitqueue_head(&my_queue);

宏DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()可以定义并初始化等待队列头部：

#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
	wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

3）定义等待队列元素

定义并初始化一个名为name的等待队列元素

#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)					\
	wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

4）添加/移除等待队列

void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

5）等待事件

参数wq：作为等待队列头部的队列被唤醒

参数condition：condition条件必须满足

参数timeout：等待超时时间，以jifffy为单位，等待timeout到达时无论condition是否满足，均返回。

#define wait_event(wq, condition)

#define wait_event_timeout(wq, condition, timeout)

#define wait_event_interruptible(wq, condition) //可被信号打断

#define wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)

6）唤醒队列

唤醒以queue作为等待队列头部的队列中的所有的线程。

#define wake_up(queue)

#define wake_up_interruptible(queue)

wake_up()应该和wait_event()或wait_event_timeout()成对使用；

wake_up_interruptible()应该和wait_event_interruptible()或wait_event_interruptible_timeout()成对使用。

wake_up()可唤醒TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE的进程；wake_up_interruptible只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE的进程。

7）在等待队列上睡眠

sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);

sleep_on()函数的作用就是将目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列元素，之后把它挂到等待队列头部q指向的双向链表，直到资源可获得，q队列指向链接的进程被唤醒。
interruptible_sleep_on()与sleep_on()函数类似，其作用是将目前进程的状态置成TASK_INTERRUPTIBLE，并定义一个等待队列元素，之后把它附属到q指向的队列，直到资源可获得（q指引的等待队列被唤醒）或者进程收到信号。
sleep_on()函数应该与wake_up()成对使用，interruptible_sleep_on()应该与wake_up_interruptible()成对使用。

1.3.2 使用模板

使用等待队列的模板，判断设备是否可写，如果不可写且为阻塞I/O，则进程睡眠并挂起等待队列。

static ssize_t xxx_write(struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    ...
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);   /* 定义等待队列元素 */
    add_wait_queue(&xxx_wait, &wait);   /* 添加元素到等待队列 */

    /* 等待设备缓冲区可写 */
    do {
        avail = device_writable(...);
        if (avail < 0) {
            if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {  /* 非阻塞 */
                ret = -EAGAIN;
                goto out;
            }
            __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  /* 改变进程状态 */
            schedule();                               /* 调度其他进程执行 */
            if (signal_pending(current)) {            /* 如果是因为信号唤醒 */
                ret = -ERESTARTSYS;
                goto out;
            }
        }
    } while (avail < 0);

    /* 写设备缓冲区 */
    device_write(...);
out:
    remove_wait_queue(&xxx_wait, &wait);  /* 将元素移出xxx_wait指引的队列 */
    set_current_state(TASK_RUNNING);      /* 设置进程状态为TASK_RUNNING */
    return ret;
}

这段代码对理解进程状态切换很重要，代码中有如下几个要点：

1）如果是非阻塞访问（O_NONBLOCK被设备），设备忙时，直接返回-EAGAIN。

2）如果是阻塞访问，调用__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)进行进程状态切换并通过schedule()调度其它进程执行。

3）醒来的时候，由于调度出去的时候进程状态是TASK_INTERRUPTIBLE（浅度睡眠），所以唤醒的可能是信号，所以先通过signal_pending判断是否为信号唤醒，如果是，立即返回-ERESTARTSYS。

DECLARE_WAITQUEUE和add_wait_queue这两个动作的效果如下图所示：

在wait_queue_head_t指向的链表上，新定义的wait_queue元素被插入，这个新元素绑定了一个task_struct数据结构（当前做xxx_write的current，也是DECLARE_WAITQUEUE使用"current"作为参数的原因）。

1.4 支持阻塞操作的globalfifo设备驱动

把globalmem的全局内存当作一个FIFO，只有FIFO中有数据的时候（有进程把数据写到FIFO而且没有读进程读空），读进程才把数据读出，而且读取数据后从globalmem的全局内存中被拿掉；只有当FIFO不是满时（有一些空间未被写或写满后读进程从这个FIFO中读出了数据），写进程才能往这个FIFO中写入数据。

在globalfifo中，读FIFO将唤醒写FIFO的进程（如果之前的FIFO正好是满的），而写FIFO也将唤醒读FIFO的进程（如果之前的FIFO是空的）。

完整代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>

/* 直接使用立即数当作命令不合理，暂定 */
#define MEM_CLEAR           0x1
#define GLOBALFIFO_MAJOR    230
#define GLOBALFIFO_SIZE     0x1000

static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
module_param(globalfifo_major, int, S_IRUGO);

/* 设备结构体 */
struct  globalfifo_dev {
    struct cdev cdev;
    unsigned int current_len;  /* 当前FIFO中有效数据的长度 */
    unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE];
    struct mutex mutex;
    wait_queue_head_t r_wait;
    wait_queue_head_t w_wait;
};

struct globalfifo_dev *globalfifo_devp;

static int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 使用文件的私有数据作为获取globalfifo_dev的实例指针 */
    filp->private_data = globalfifo_devp;
    return 0;
}

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

/**
 * 设备ioctl函数
 * @param[in] filp：文件结构体指针
 * @param[in] cmd: 命令，当前仅支持MEM_CLEAR
 * @param[in] arg: 命令参数
 * @return  若成功返回0，若出错返回错误码
 */
static long globalfifo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
    unsigned long arg)
{
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;

    switch (cmd) {
    case MEM_CLEAR:
        mutex_lock(&dev->mutex);
        dev->current_len = 0;
        memset(dev->mem, 0, GLOBALFIFO_SIZE);
        mutex_unlock(&dev->mutex);
        printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero\n");
        break;
    
    default:
        return -EINVAL;
    }
    return 0;
}

/**
 * 读设备
 * @param[in] filp：文件结构体指针
 * @param[out] buf: 用户空间内存地址，不能在内核中直接读写
 * @param[in] size: 读取的字节数
 * @param[in/out] ppos: 读的位置相当于文件头的偏移
 * @return  若成功返回实际读的字节数，若出错返回错误码
 */
static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp,
    char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    unsigned long count = size;
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;

    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

    mutex_lock(&dev->mutex);
    add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);

    while (dev->current_len == 0) {
        if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) {
            ret = -EAGAIN;
            goto out;
        }

        __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        mutex_unlock(&dev->mutex);

        schedule();
        if (signal_pending(current)) {
            ret = -ERESTARTSYS;
            goto out2;
        }
        
        mutex_lock(&dev->mutex);
    }

    if (count > dev->current_len)
        count = dev->current_len;

    /* 内核空间到用户空间缓存区的复制 */
    if (copy_to_user(buf, dev->mem, count)) {
        ret = -EFAULT;
        goto out;
    } else {
        memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count);
        dev->current_len -= count;
        printk(KERN_INFO "read %lu bytes(s) from %u\n", count, dev->current_len);
        wake_up_interruptible(&dev->w_wait);
        ret = count;
    }

out:
    mutex_unlock(&dev->mutex);

out2:
    remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);
    set_current_state(TASK_RUNNING);
    return ret;
}

/**
 * 写设备
 * @param[in] filp：文件结构体指针
 * @param[in] buf: 用户空间内存地址，不能在内核中直接读写
 * @param[in] size: 写入的字节数
 * @param[in/out] ppos: 写的位置相当于文件头的偏移
 * @return  若成功返回实际写的字节数，若出错返回错误码
 */
static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp,
    const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    unsigned long count = size;
    struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;

    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

    mutex_lock(&dev->mutex);
    add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait);

    while (dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE) {
        if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) {
            ret = -EAGAIN;
            goto out;
        }
        __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

        mutex_unlock(&dev->mutex);

        schedule();
        if (signal_pending(current)) {
            ret = -ERESTARTSYS;
            goto out2;
        }
        mutex_lock(&dev->mutex);
    }

    if (count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len)
        count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;

    /* 用户空间缓存区到内核空间缓存区的复制 */
    if (copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)) {
        ret = -EFAULT;
        goto out;
    } else {
        dev->current_len += count;
        printk(KERN_INFO "written %lu bytes(s) from %u\n", count, dev->current_len);
        wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
        ret = count;
    }

out:
    mutex_unlock(&dev->mutex);

out2:
    remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait);
    set_current_state(TASK_RUNNING);
    return ret;
}

/**
 * 文件偏移设置
 * @param[in] filp：文件结构体指针
 * @param[in] offset: 偏移值大小
 * @param[in] orig: 起始偏移位置
 * @return  若成功返回文件当前位置，若出错返回错误码
 */
static loff_t globalfifo_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
    loff_t ret = 0;
    switch (orig) {
    case 0:  /* 从文件头位置设置偏移 */
        if (offset < 0) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        if ((unsigned int)offset > GLOBALFIFO_SIZE) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        filp->f_pos = (unsigned int)offset;
        ret = filp->f_pos;
        break;
    case 1:  /* 从当前位置设置偏移 */
        if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALFIFO_SIZE) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        if ((filp->f_pos + offset) < 0) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        filp->f_pos += offset;
        ret = filp->f_pos;
        break;
    
    default:
        ret = -EINVAL;
        break;;
    }
    return ret;
}

static const struct file_operations globalfifo_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.llseek = globalfifo_llseek,
	.read = globalfifo_read,
	.write = globalfifo_write,
	.unlocked_ioctl = globalfifo_ioctl,
	.open = globalfifo_open,
	.release = globalfifo_release,
};

static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
{
    int err, devno = MKDEV(globalfifo_major, index);

    /* 初始化cdev */
    cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    /* 注册设备 */
    err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
    if (err)
        printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalfifo%d", err, index);
}

/* 驱动模块加载函数 */
static int __init globalfifo_init(void)
{
    int ret;
    dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);

    /* 获取设备号 */
    if (globalfifo_major)
        ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
    else {
        ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
        globalfifo_major = MAJOR(devno);
    }
    
    if (ret < 0)
        return ret;
    
    /* 申请内存 */
    globalfifo_devp = kzalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
    if (!globalfifo_devp) {
        ret = -ENOMEM;
        goto fail_malloc;
    }
    globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);

    mutex_init(&globalfifo_devp->mutex);

    init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait);
    init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait);

    return 0;

fail_malloc:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}
module_init(globalfifo_init);

/* 驱动模块卸载函数 */
static void __exit globalfifo_exit(void)
{
    cdev_del(&globalfifo_devp->cdev);
    kfree(globalfifo_devp);
    /* 释放设备号 */
    unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1);
}
module_exit(globalfifo_exit);

MODULE_AUTHOR("MrLayfolk");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

Makefile：

KVERS = $(shell uname -r)

# Kernel modules
obj-m += globalfifo.o

# Specify flags for the module compilation.
#EXTRA_CFLAGS=-g -O0

build: kernel_modules

kernel_modules:
	make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules

clean:
	make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean

编译、插入ko，并进行测试：

$ make
$ insmod globalfifo.ko
$ mknod /dev/globalfifo c 230 0 //创建设备节点
$ cat /dev/globalfifo &  //读进程在后台运行
$ echo "I want to be" > /dev/globalfifo //写进程对FIFO进行写数据
$ I want to be  //cat读进程会立即打印