利用select/poll監聽多個設備詳解

若是一個應用程序去處理多個設備，例如應用程序讀取網路數據，按鍵，串口，通常能想到的有三種方法：

方法1：
串行+阻塞的方式讀取：
while(1) { 
read(標準輸入);
read(網絡);
}
缺點：每當阻塞讀取標準輸入時，若是用戶不進行標準輸入的操做，而此時客戶端給服務器發送數據，致使服務器沒法讀取客戶端發送來的數據！

方法2：
採用多線程或者多進程機制來實現讀取：
開闢多個線程，每個線程處理一個設備，不會致使的數據的沒法讀取，可是系統的開銷相比方法1要大！

方案3：採用linux系統提供的高級IO的處理機制
select/poll:二者同樣，主進程可以利用select或者poll可以對多個設備進行監聽！

 

其原理好像：方法1至關於有一個保安，看十戶房子，若是小偷進來從第十戶開始偷，保安卻從第一戶挨個檢查，沒有小偷確還在第一家等着。
            方法2至關於僱了十個保安，開銷大
      方法3至關於買了10套監控設備，一個保安看監控錄像，有狀況報警

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select函數原型：
int select(int nfds, 
fd_set *readfds, 
fd_set *writefds,
        fd_set *exceptfds, 
struct timeval *timeout);
函數功能：
主進程利用此函數可以對多個設備進行監聽，一旦發現監聽的設備都不可用（不可讀、也不可寫、也沒有異常），那麼主進程進入休眠狀態，一旦監聽的設備中，只要有一個設備可用（可讀或者可寫或者有異常）都會喚醒休眠的主進程，select也就會返回。

注意這個函數僅僅起到一個監聽的功能，數據的後續處理，例如讀寫都是經過read,write,ioctl來進行！

參數說明：
nfds:
對設備的訪問永遠先open獲取fd；
監聽的設備中，最大的文件描述符fd+1;
數據類型fd_set:文件描述符集合,用來保存描述監聽的設備，裏面存放是被監聽設備的文件描述符；若是select要監聽某一個設備，必須把這個設備的fd添加到對應的文件描述符集合中！

readfds:讀文件描述符集合指針，若是select要監聽設備是否可讀，需將設備的fd添加到這個集合中！

writefds:寫文件描述符集合指針，若是select要監聽設備是否可寫，需將設備的fd添加到這個集合中！

exceptfds:異常文件描述符集合指針，若是select要監聽設備是否有異常，需將設備的fd添加到這個集合中！

注意：一個設備的fd能夠同時添加到三個集合中！

timeout：指定監聽的超時時間，若是此參數指定了一個時間，例如5秒鐘，select發現設備不可用，主進程進入休眠狀態，若是5秒以內設備還不可用，5秒到期，主進程主動喚醒；若是此參數指定爲NULL，休眠爲永久休眠！

返回值：有三種
若是等於0：代表是超時；
若是小於0：代表系統出錯；
若是大於0：代表設備可用（至少是一個設備，或者所有）；

文件描述符集合操做的方法：
fd_set rfds; //定義讀文件描述符集合

//從集合中解除對fd設備的監聽
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

//判斷是不是設備fd引發的主進程的喚醒，若是是返回true，不然返回false
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

//添加一個新的被監聽的設備
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

//清空文件描述符集合
void FD_ZERO(fd_set *set);

注意：若是要重複監聽，須要再次清空集合和添加監聽設備！

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以上是應用程序層面上的函數調用

其在內核層面上：

在sys_select中作休眠，poll不引發休眠
select系統調用過程：
1.應用程序調用select，首先調用C庫的select函數實現；

2.C庫的select保存select系統調用號到R7寄存器中，調用SVC（新的
）或者SWI（老的）觸發軟中斷，至此由用戶空間陷入內核空間，ARM
的工做模式由用戶模式轉變爲SVC管理模式；

3.跳轉到內核準備好的異常向量表的入口地址，根據R7保存的系統調
用號，以它爲索引在系統調用表中找到對應的實現函數sys_select

4.sys_select要完成：
   1.把被監聽的設備對應驅動程序的poll函數挨個調用一遍，
被監聽的設備都不可用時，它們的驅動的poll函數都返回0；
   2.判斷是不是驅動主動喚醒，仍是超時喚醒，仍是接收到信號喚醒；
   3.若是即沒有驅動主動喚醒，也沒有超時喚醒，沒有接收到信號，
sys_select調用poll_schedule_timeout主動讓進程進入休眠；
   4.假設被監聽的設備中，有一個設備可用（可讀或者可寫或者異常
，硬件經過中斷來判斷），都會喚醒休眠的主進程；
   5.sys_select的poll_schedule_timeout函數返回，再也不休眠
   6.再次把被監聽的設備驅動的poll函數挨個調用一遍，此時可用
的設備對應的驅動poll函數會返回非0；
   7.if (ret || time_out || ...) //ret = 1,當即返回到用戶空
間，返回值爲ret值

總結：
1.明確原本應該底層驅動的poll函數利用等待隊列機制讓進程休眠，
可是等待隊列休眠9步驟並不都是驅動的poll來編寫，有一部分是有內
核sys_select來實現；

2.驅動poll函數完成以下內容便可：
     1.調用poll_wait，將當前進程添加到驅動定義的等待隊列頭中
     2.根據設備是否可用，決定返回0仍是非0

 

 

3.明確：監聽機制,底層poll函數不是必須的，若是要監聽設備還可
以使用多線程機制也可以完成監聽；可是若是要使用select/poll監
聽設備，驅動必須有poll實現！

 

下圖是sys_select的簡單實現：

 

 

 

經過對內核代碼的分析，真正的休眠實現是在內核中實現的

poll_schedule_timeout函數中的schedule_hrtimeout_range中的schedule_hrtimeout_range_clock函數實現的

並非在poll函數中實現的

 poll（輪詢）操做在應用程序中用於同時阻塞在多個文件上，當其中任何一個文件有應用程序所等待的事件（可讀、可寫、出錯等）時，poll返回相應的掩碼通知應用程序，使得應用程序知道應該對哪一個文件作何種操做。按照個人理解，poll的本質能夠這樣解釋：休眠等待多個指定文件中的任何一個發生特定的事件，並將被該文件喚醒；醒來後輪詢全部相關文件（經過再次調用全部文件對應驅動的poll方法），獲取全部被監控文件的事件信息返回給應用程序。

     從這裏就能夠看出：

（1）其中等待隊列的使用是必不可少的。實際上調用poll的進程將會休眠在多個等待隊列（通常全部被監控文件的都有至少一個的等待隊列）上，從其中任何一個隊列上喚醒該進程，均可能使poll函數返回。

（2）驅動中的poll方法不實現休眠，而是：

 

i、把當前進程添加到相應的等待隊列中（僅在休眠時執行，喚醒時不會執行此功能）。
ii、返回文件當前的狀態掩碼（告知是否有事件發生，休眠和喚醒都會執行）。

 

      經過對內核源碼、《深刻Linux設備驅動程序內核機制》的學習，我對Poll系統調用和內核驅動的poll方法的關係和結構有了總體且深刻的瞭解，基本搞清了poll系統調用的執行脈絡。對於poll系統調用的內核原理，請你們先看《深刻Linux設備驅動程序內核機制》那本書寫的比較詳細了，我不廢話了。之後我會把我本身以爲須要注意的地方寫出來。這裏我把這個關係和數據結構圖繪製了出來，請你們指正：

 

 

 

對於等待隊列的狀況，我用下面一個例子和圖來示意一下：

例若有3個進程：

task-1：使用poll檢測文件1~3

 

task-2：使用poll檢測文件2~3

task-3：使用poll檢測文件3

則等待隊列的狀況以下：

 

 

 

 

以後，假設task-2因爲文件2或3被喚醒，且task-1/3對此不感興趣（未設置該掩碼），那麼等待隊列的狀況以下：

 

 

 

 

 

    等待隊列入口項的添加和刪除主要是由poll_initwait(&table);和poll_freewait(&table);完成。

    poll_initwait(&table);完成初始化struct poll_wqueues table的工做，而poll_freewait(&table);負責清理這個結構體。這裏須要注意的是等待隊列中的wait_queue_t並非在喚醒函數pollwake從隊列中刪除的，而是最後由poll_freewait(&table);集中處理的。而喚醒函數和普通的wait_event的喚醒函數有很大不一樣，請你們對比上面的圖和以前我寫的 《對Linux系統休眠的理解》中的圖。