Linux select/poll机制原理分析

前言

  • Read the fucking source code!  –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

1. 概述

Linux系统在访问设备的时候,存在以下几种IO模型:

  1. Blocking IO Model,阻塞IO模型
  2. Nonblocking I/O Model,非阻塞IO模型
  3. I/O Multiplexing Model,IO多路复用模型;
  4. Signal Driven I/O Model,信号驱动IO模型
  5. Asynchronous I/O Model,异步IO模型

今天我们来分析下IO多路复用机制,在Linux中是通过select/poll/epoll机制来实现的。

先看一下阻塞IO模型与非阻塞IO模型的特点:

Linux select/poll机制原理分析

  • 阻塞IO模型:在IO访问的时候,如果条件没有满足,会将当前任务切换出去,等到条件满足时再切换回来。
    • 缺点:阻塞IO操作,会让处于同一个线程的执行逻辑都在阻塞期间无法执行,这往往意味着需要创建单独的线程来交互。
  • 非阻塞IO模型:在IO访问的时候,如果条件没有满足,直接返回,不会block该任务的后续操作。
    • 缺点:非阻塞IO需要用户一直轮询操作,轮询可能会来带CPU的占用问题。

对单个设备IO操作时,问题并不严重,如果有多个设备呢?比如,在服务器中,监听多个Client的收发处理,这时候IO多路复用就显得尤为重要了,来张图:

Linux select/poll机制原理分析

如果这个图,让你有点迷惑,那就像个男人一样,man一下select/poll函数吧:

  • select:

  • poll

简单来说,select/poll能监听多个设备的文件描述符,只要有任何一个设备满足条件,select/poll就会返回,否则将进行睡眠等待。看起来,select/poll像是一个管家了,统一负责来监听处理了。

已经迫不及待来看看原理了,由于底层的机制大体差不多,我将选择select来做进一步分析。

2. 原理

2.1 select系统调用

select的系统调用开始:

  • select系统调用,最终的核心逻辑是在do_select函数中处理的,参考fs/select.c文件;
  • do_select函数中,有几个关键的操作:
    1. 初始化poll_wqueues结构,包括几个关键函数指针的初始化,用于驱动中进行回调处理;
    2. 循环遍历监测的文件描述符,并且调用f_op->poll()函数,如果有监测条件满足,则会跳出循环;
    3. 在监测的文件描述符都不满足条件时,poll_schedule_timeout让当前进程进行睡眠,超时唤醒,或者被所属的等待队列唤醒;
  • do_select函数的循环退出条件有三个:
    1. 检测的文件描述符满足条件;
    2. 超时;
    3. 有信号要处理;
  • 在设备驱动程序中实现的poll()函数,会在do_select()中被调用,而驱动中的poll()函数,需要调用poll_wait()函数,poll_wait函数本身很简单,就是去回调函数p->_qproc(),这个回调函数正是poll_initwait()函数中初始化的__pollwait()

所以,来看看__pollwait()函数喽。

2.2 __pollwait

  • 驱动中的poll_wait函数回调__pollwait,这个函数完成的工作是向struct poll_wqueue结构中添加一条poll_table_entry
  • poll_table_entry中包含了等待队列的相关数据结构;
  • 对等待队列的相关数据结构进行初始化,包括设置等待队列唤醒时的回调函数指针,设置成pollwake
  • 将任务添加到驱动程序中的等待队列中,最终驱动可以通过wake_up_interruptile等接口来唤醒处理;

这一顿操作,其实就是驱动向select维护的struct poll_wqueue中注册,并将调用select的任务添加到驱动的等待队列中,以便在合适的时机进行唤醒。所以,本质上来说,这是基于等待队列的机制来实现的。

是不是还有点抽象,来看看数据结构的组织关系吧。

2.3 数据结构关系

  • 调用select系统调用的进程/线程,会维护一个struct poll_wqueues结构,其中两个关键字段:
    1. pll_table:该结构体中的函数指针_qproc指向__pollwait函数;
    2. struct poll_table_entry[]:存放不同设备的poll_table_entry,这些条目的增加是在驱动调用poll_wait->__pollwait()时进行初始化并完成添加的;

2.4 驱动编写启示

如果驱动中要支持select的接口调用,那么需要做哪些事情呢?如果理解了上文中的内容,你会毫不犹豫的大声说出以下几条:

  1. 定义一个等待队列头wait_queue_head_t,用于收留等待队列任务;
  2. struct file_operations结构体中的poll函数需要实现,比如xxx_poll()
  3. xxx_poll()函数中,当然不要忘了poll_wait函数的调用了,此外,该函数的返回值mask需要注意是在条件满足时对应的值,比如EPOLLIN/EPOLL/EPOLLERR等,这个返回值是在do_select()函数中会去判断处理的;
  4. 条件满足的时候,wake_up_interruptible唤醒任务,当然也可以使用wake_up,区别是:wake_up_interruptible只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的任务,而wake_up能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLE状态的任务;

2.5 select/poll的差异

  • selectpoll本质上基本类似,其中select是由BSD UNIX引入,pollSystemV引入;
  • selectpoll需要轮询文件描述符集合,并在用户态和内核态之间进行拷贝,在文件描述符很多的情况下开销会比较大,select默认支持的文件描述符数量是1024;
  • Linux提供了epoll机制,改进了selectpoll在效率与资源上的缺点,未深入了解;

3. 示例代码

3.1 内核驱动

示例代码中的逻辑:

  1. 驱动维护一个count值,当count值大于0时,表明条件满足,poll返回正常的mask值;
  2. poll函数每执行一次,count值就减去一次;
  3. count的值可以由用户通过ioctl来进行设置;

3.2 测试代码

测试代码逻辑:

  1. 创建一个设值线程,用于每隔2秒来设置一次count值;
  2. 主线程调用select函数监听,当设值线程设置了count值后,select便会返回;

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