韦东山：Linux驱动基石之POLL机制

1.适用场景

在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？ ① 时不时进房间看一下：查询方式 简单，但是累 ② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒 不累，但是妈妈干不了活了 ③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式 要浪费点时间，但是可以继续干活。 妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。 ④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知 妈妈、小孩互不耽误

使用休眠-唤醒的方式等待某个事件发生时，有一个缺点：等待的时间可能很久。我们可以加上一个超时时间，这时就可以使用poll机制。 ① APP不知道驱动程序中是否有数据，可以先调用poll函数查询一下，poll函数可以传入超时时间； ② APP进入内核态，调用到驱动程序的poll函数，如果有数据的话立刻返回； ③ 如果发现没有数据时就休眠一段时间； ④ 当有数据时，比如当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒APP； ⑤ 当超时时间到了之后，内核也会唤醒APP； ⑥ APP根据poll函数的返回值就可以知道是否有数据，如果有数据就调用read得到数据

2.使用流程

妈妈进入房间时，会先看小孩醒没醒，闹钟响之后走出房间之前又会再看小孩醒没醒。 注意：看了2次小孩！ POLL机制也是类似的，流程如下：

函数执行流程如上图①～⑧所示，重点从③开始看。假设一开始无按键数据： ③ APP调用poll之后，进入内核态； ④ 导致驱动程序的drv_poll被调用： 注意，drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列wq中；假设不放入队列里，那以后发生中断时，中断服务程序去哪里找到你嘛？ drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。 ⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会； ⑥ 在休眠过程中，按下了按键，发生了中断： 在中断服务程序里记录了按键值，并且从wq中把线程唤醒了。 ⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行for循环，再次调用drv_poll： drv_poll返回数据状态 ⑧ 哦，你有数据，那从内核态返回到应用态吧 ⑨ APP调用read函数读数据 如果一直没有数据，调用流程也是类似的，重点从③开始看，如下： ③ APP调用poll之后，进入内核态； ④ 导致驱动程序的drv_poll被调用： 注意，drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列wq中；假设不放入队列里，那以后发生中断时，中断服务程序去哪里找到你嘛？ drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。 ⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会； ⑥ 在休眠过程中，一直没有按下了按键，超时时间到：内核把这个线程唤醒； ⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行for循环，再次调用drv_poll： drv_poll返回数据状态 ⑧ 哦，你还是没有数据，但是超时时间到了，那从内核态返回到应用态吧 ⑨ APP不能调用read函数读数据

注意几点： ① drv_poll要把线程挂入队列wq，但是并不是在drv_poll中进入休眠，而是在调用drv_poll之后休眠 ② drv_poll要返回数据状态 ③ APP调用一次poll，有可能会导致drv_poll被调用2次 ④ 线程被唤醒的原因有2：中断发生了去队列wq中把它唤醒，超时时间到了内核把它唤醒 ⑤ APP要判断poll返回的原因：有数据，还是超时。有数据时再去调用read函数。

3. 驱动编程

使用poll机制时，驱动程序的核心就是提供对应的drv_poll函数。 在drv_poll函数中要做2件事： ① 把当前线程挂入队列wq：poll_wait APP调用一次poll，可能导致drv_poll被调用2次，但是我们并不需要把当前线程挂入队列2次。 可以使用内核的函数poll_wait把线程挂入队列，如果线程已经在队列里了，它就不会再次挂入。 ② 返回设备状态： APP调用poll函数时，有可能是查询“有没有数据可以读”：POLLIN，也有可能是查询“你有没有空间给我写数据”：POLLOUT。 所以drv_poll要返回自己的当前状态：(POLLIN | POLLRDNORM) 或 (POLLOUT | POLLWRNORM)。 POLLRDNORM等同于POLLIN，为了兼容某些APP把它们一起返回。 POLLWRNORM等同于POLLOUT ，为了兼容某些APP把它们一起返回。

APP调用poll后，很有可能会休眠。对应的，在按键驱动的中断服务程序中，也要有唤醒操作。 驱动程序中poll的代码如下：

static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait);
	return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}

4 应用编程

注意：APP可以调用poll或select函数，这2个函数的作用是一样的。 poll/select函数可以监测多个文件，可以监测多种事件： 事件类型 说明 POLLIN 有数据可读 POLLRDNORM 等同于POLLIN POLLRDBAND Priority band data can be read，有优先级较较高的“band data”可读 Linux系统中很少使用这个事件 POLLPRI 高优先级数据可读 POLLOUT 可以写数据 POLLWRNORM 等同于POLLOUT POLLWRBAND Priority data may be written POLLERR 发生了错误 POLLHUP 挂起 POLLNVAL 无效的请求，一般是fd未open

在调用poll函数时，要指明： ① 你要监测哪一个文件：哪一个fd ② 你想监测这个文件的哪种事件：是POLLIN、还是POLLOUT 最后，在poll函数返回时，要判断状态。

应用程序代码如下：

struct pollfd fds[1];
int timeout_ms = 5000;
int ret;

fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;

ret = poll(fds, 1, timeout_ms);
if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN))
{
	read(fd, &val, 4);
	printf("get button : 0x%x\n", val);
}

5. POLL机制的内核代码详解

Linux APP系统调用，基本都可以在它的名字前加上“sys_”前缀，这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用open、read、write、poll，与之对应的内核函数为：sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。 对于系统调用poll或select，它们对应的内核函数都是sys_poll。分析sys_poll，即可理解poll机制。

5.1 sys_poll函数

sys_poll位于fs/select.c文件中，代码如下：

SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds,
		int, timeout_msecs)
{
	struct timespec64 end_time, *to = NULL;
	int ret;

	if (timeout_msecs >= 0) {
		to = &end_time;
		poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC,
			NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC));
	}

	ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to);
……

SYSCALL_DEFINE3是一个宏，它定义于include/linux/syscalls.h，展开后就有sys_poll函数。 sys_poll对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。

5.2 do_sys_poll函数

do_sys_poll位于fs/select.c文件中，我们忽略其他代码，只看关键部分：

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
		struct timespec64 *end_time)
{
……
	poll_initwait(&table);
	fdcount = do_poll(head, &table, end_time);
	poll_freewait(&table);
……
}

poll_initwait函数非常简单，它初始化一个poll_wqueues变量table：

poll_initwait
   init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
       pt->qproc = qproc;

即table->pt->qproc = __pollwait，__pollwait将在驱动的poll函数里用到。

do_poll函数才是核心，继续看代码。

5.3 do_poll函数

do_poll函数位于fs/select.c文件中，这是POLL机制中最核心的代码，贴图如下：

① 从这里开始，将会导致驱动程序的poll函数被第一次调用。 沿着②③④⑤，你可以看到：驱动程序里的poll_wait会调用__pollwait函数把线程放入某个队列。 当执行完①之后，在⑥或⑦处，pt->_qproc被设置为NULL，所以第二次调用驱动程序的poll时，不会再次把线程放入某个队列里。 ⑧ 如果驱动程序的poll返回有效值，则count非0，跳出循环； ⑨ 否则休眠一段时间；当休眠时间到，或是被中断唤醒时，会再次循环、再次调用驱动程序的poll。

回顾APP的代码，APP可以指定“想等待某些事件”，poll函数返回后，可以知道“发生了哪些事件”：

驱动程序里怎么体现呢？在上上一个图中，看②位置处，细说如下：