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系統在訪問裝置的時候，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多路複用模型
；
Signal Driven I/O Model，訊號驅動IO模型
；
Asynchronous I/O Model，非同步IO模型
；
今天我們來分析下IO多路複用機制，在Linux中是透過
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，會讓處於同一個執行緒的執行邏輯都在阻塞期間無法執行，這往往意味著需要建立單獨的執行緒來互動。
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該任務的後續操作。
缺點：非阻塞IO需要使用者一直輪詢操作，輪詢可能會來帶CPU的佔用問題。
對單個裝置IO操作時，問題並不嚴重，如果有多個裝置呢？比如，在伺服器中，監聽多個Client的收發處理，這時候IO多路複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
函式吧：
select
：
poll
簡單來說，
select/poll
能監聽多個裝置的檔案描述符，只要有任何一個裝置滿足條件，
select/poll
就會返回，否則將進行睡眠等待。看起來，
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，由於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系統呼叫
從
select
的系統呼叫開始：
select
系統呼叫，最終的核心邏輯是在
do_select
函式中處理的，參考
fs/select。c
檔案；
do_select
函式中，有幾個關鍵的操作：
初始化
poll_wqueues
結構，包括幾個關鍵函式指標的初始化，用於驅動中進行回撥處理；
迴圈遍歷監測的檔案描述符，並且呼叫
f_op->poll（）
函式，如果有監測條件滿足，則會跳出迴圈；
在監測的檔案描述符都不滿足條件時，
poll_schedule_timeout
讓當前程序進行睡眠，超時喚醒，或者被所屬的等待佇列喚醒；
do_select
函式的迴圈退出條件有三個：
檢測的檔案描述符滿足條件；
超時；
有訊號要處理；
在裝置驅動程式中實現的
poll（）
函式，會在
do_select（）
中被呼叫，而驅動中的
poll（）
函式，需要呼叫
poll_wait（）
函式，
poll_wait
函式本身很簡單，就是去回撥函式
p->_qproc（）
，這個回撥函式正是
poll_initwait（）
函式中初始化的
__pollwait（）
；
所以，來看看
__pollwait（）
函式嘍。
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2。2__pollwait
驅動中的
poll_wait
函式回撥
__pollwait
，這個函式完成的工作是向
struct poll_wqueue
結構中新增一條
poll_table_entry
；
poll_table_entry
中包含了等待佇列的相關資料結構；
對等待佇列的相關資料結構進行初始化，包括設定等待佇列喚醒時的回撥函式指標，設定成
pollwake
；
將任務新增到驅動程式中的等待佇列中，最終驅動可以透過
wake_up_interruptile
等介面來喚醒處理；
這一頓操作，其實就是驅動向
select
維護的
struct poll_wqueue
中註冊，並將呼叫
select
的任務新增到驅動的等待佇列中，以便在合適的時機進行喚醒。所以，本質上來說，這是基於等待佇列的機制來實現的。
是不是還有點抽象，來看看資料結構的組織關係吧。
2.3 資料結構關係
呼叫
select
系統呼叫的程序/執行緒，會維護一個
struct poll_wqueues
結構，其中兩個關鍵欄位：
pll_table
：該結構體中的函式指標
_qproc
指向
__pollwait
函式；
struct poll_table_entry［］
：存放不同裝置的
poll_table_entry
，這些條目的增加是在驅動呼叫
poll_wait->__pollwait（）
時進行初始化並完成新增的；
2。4 驅動編寫啟示
如果驅動中要支援
select
的介面呼叫，那麼需要做哪些事情呢？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：
定義一個等待佇列頭
wait_queue_head_t
，用於收留等待佇列任務；
struct file_operations
結構體中的
poll
函式需要實現，比如
xxx_poll（）
；
xxx_poll（）
函式中，當然不要忘了
poll_wait
函式的呼叫了，此外，該函式的返回值
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（）
函式中會去判斷處理的；
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
只能喚醒處於
TASK_INTERRUPTIBLE
狀態的任務，而
wake_up
能喚醒處於
TASK_INTERRUPTIBLE
和
TASK_UNINTERRUPTIBLE
狀態的任務；
2。5select/poll的差異
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
需要輪詢檔案描述符集合，並在使用者態和核心態之間進行複製，在檔案描述符很多的情況下開銷會比較大，
select
預設支援的檔案描述符數量是1024；
Linux提供了
epoll
機制，改進了
select
與
poll
在效率與資源上的缺點，未深入瞭解；
3。 示例程式碼
3。1 核心驅動
示例程式碼中的邏輯：
驅動維護一個count值，當count值大於0時，表明條件滿足，poll返回正常的mask值；
poll函式每執行一次，count值就減去一次；
count的值可以由使用者透過
ioctl
來進行設定；
#include #include #include #include #include #include #include #include #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 測試程式碼
測試程式碼邏輯：
建立一個設值執行緒，用於每隔2秒來設定一次count值；
主執行緒呼叫
select
函式監聽，當設值執行緒設定了count值後，select便會返回；
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include 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；}
