四种IO模型在底层驱动的实现方法

姓名：李浩然

学号：16030410020

转自：http://blog.csdn.net/Dreaming_My_Dreams/article/details/8272877（有删改）

【嵌牛导读】：为了区分IO的五种模型，下面先来看看同步与异步、阻塞与非阻塞的概念差别。

同步：所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是 SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者。

异步：异步的概念和同步相对。当一个异步功能调用发出后，调用者不能立刻得到结果。当该异步功能完成后，通过状态、通知或回调来通知调用者。

【嵌牛鼻子】：非阻塞IO、阻塞IO、轮询、异步通知、同步、异步

【嵌牛提问】：4种IO模型是什么？都有哪四种IO模型？这些模型各有什么特点？在底层是怎么实现的。

【嵌牛正文】：一、非阻塞IO

当设备没有要操作的资源时，它会立即返回。这种操作，一般要在应用层循环检测，比较占用cpu资源。

二、阻塞IO

这种实现方法需要借助于等待队列

对待buf有两种队列，读和写，可以在设备的私有资源中定义两个队列：wait_queue_head_t rq，wq；当读写时，没有相应的资源，并且是以阻塞方式读写设备的，那么，就可以把当前任务(应用层的进程，这些任务都有一个task_struct来表示)放到等待队列中，等待有资源或中断时唤醒。

睡眠方式有两种：手动睡眠、自动睡眠

手动睡眠：

自动睡眠：wait_event_interruptible(rq/wq,condition)

这种方式是可以被中断唤醒的睡眠方式，不管何种唤醒，醒来首先会检查condition是否满足，若不满足会继续睡眠，若condition满足，那么，就会再次去申请资源(因为同时唤醒这个等待队列的所有任务，会产生竞态)，没有申请到，会继续睡眠，申请到，就会去完成读写。

三、轮询(这种方法的select和poll之间的机制还有点迷糊，稍后补上)

轮询，需要借助于底层驱动的poll函数和等待队列来实现

在应用层中，我们把需要监控的fd放入fd_set中，然后调用select函数，最终就会调用到驱动中的poll 函数。

这些系统调用功能相同:允许进程来决定它是否可读或写一个或多个文件而不阻塞。这些调用也可阻塞进程直到任何一个给定集合的文件描述符可用来读或写。(也就是说，在应用程序中的select中会一直阻塞(还是睡眠)，直至至少有一个设备可以操作，所以说，在应用层次中，其实不是轮询执行select函数，这点是以前的误解)

四、异步通知

在设备驱动中使用异步通知可以使得对设备的访问可进行时，由驱动主动通知应用程序进行访问，这样，使用无阻塞IO的应用程序无须轮询设备是否可访问，而阻塞访问也可被类似“中断”的异步通知所取代。

概念：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似硬件上 “中断”的概念，可称之为“信号驱使的异步IO”。

应用程序：

(1)首先应用程序指定进程问文件的属主，就是把pid保存在file中

fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());

(2) 要在设备中设置FASYNC标志

oflag = fcntl(fd,F_GETFL)

fcntl(fd,F_SETFL,oflag | FASYNC)

设置完上面一句话后，应用程序会自动调用驱动中的fasync函数，

驱动中：

(1) 在设备结构体中定义一个异步结构体指针：struct fasync_struct * async_queue；

(2)实现fasync函数，调用fasync_helper函数，把file放入或删除异步通知队列中

(3)当设备资源就绪时，发送信号，可以发一次，也可以一直发，直至资源被消耗；这完全取决于驱动怎么写

kill_fsaync(&dev->async_queue,SIGIO,POLL_IN)

(4)当进程关闭设备时，要在release函数中把进程从异步通知队列中删除.

[cpp]view plain copy

structkey_device{

structcdev cdev;

structfasync_struct *async_queue;//定义一个队列

}key_device;

intkey_fasync(intfd,structfile *file,intmode)

{

structkey_device *device = file->private_data;

returnfasync_helper(fd,file,mode,&device->async_queue);//此函数是用来把进程加入或删除一个队列，这是根据参数mode来区别的，当应用层fcntl(fd,F_SETFL,oflag | FASYNC)时，mode经过VFS层后自动为1，则此函数是用来加入队列//在release中，mode传递为0，则是把任务从队列中删除

}

structkey_release(structinode *,structfile *)

{

key_fasync(-1,file,0)//删除

}

structfile_operations fops={

.fasync = key_fasync,

};

if(key_device->async_queue)

kill_fasync(&((structkey_device*)dev)->async_queue,SIGIO,POLL_IN); //向队列中的所有任务发送SIGIO信号，

}